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1
EFECTO DE LA DISTORSIOacuteN ARMOacuteNICA EN TRANSFORMADORES
IMPLEMENTACIOacuteN DE PRUEBAS DE RUTINA PARA EL DIAGNOacuteSTICO DE
THD EN TRANSFORMADORES CON CARGAS ARMOacuteNICAS
MAYRA ALEJANDRA PERDOMO GARCIacuteA
UNIVERSIDAD TECNOLOacuteGICA DE PEREIRA
FACULTAD DE INGENIERIacuteAS ELEacuteCTRICA ELECTROacuteNICA FIacuteSICA Y
CIENCIAS DE LA COMPUTACIOacuteN
PROGRAMA DE INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA
PEREIRA ndash RISARALDA
2016
2
EFECTO DE LA DISTORSIOacuteN ARMOacuteNICA EN TRANSFORMADORES
IMPLEMENTACIOacuteN DE PRUEBAS DE RUTINA PARA EL DIAGNOacuteSTICO DE
THD EN TRANSFORMADORES CON CARGAS ARMOacuteNICAS
MAYRA ALEJANDRA PERDOMO GARCIacuteA
PROYECTO DE GRADO
DIRECTOR
ING ALEXANDER MOLINA CABRERA
UNIVERSIDAD TECNOLOacuteGICA DE PEREIRA
FACULTAD DE INGENIERIacuteAS ELEacuteCTRICA ELECTROacuteNICA FIacuteSICA Y
CIENCIAS DE LA COMPUTACIOacuteN
PROGRAMA DE INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA
PEREIRA ndash RISARALDA
2016
3
Nota de aceptacioacuten
______________________________
______________________________
______________________________
______________________________
______________________________
Firma del jurado
______________________________
Firma del jurado
4
AGRADECIMIENTOS
A Dios la virgen y los aacutengeles por su compantildeiacutea e iluminacioacuten en el camino de la
vida A mi familia por ese gran apoyo incondicional que siempre me han brindado
A mi abuelo Abraham por sus sabias palabras y apoyo que estaacuten ahiacute cuando los
necesito A mi madre Noralba por inculcarme esos valores y ese amor que me han
ayudado a salir adelante A mi hermana Stefania por ese carintildeo apoyo
colaboracioacuten y amistad que siempre me brinda A mi novio Juan Carlos por su amor
confianza paciencia y apoyo que me ha dado en los momentos difiacuteciles A empresa
MAGNETRON SAS por darme la confianza y apoyo de realizar mi trabajo de grado
en sus instalaciones A mi director de proyecto por sus aportes y disponibilidad para
este proyecto A la doctora Luz Amparo por creer en miacute y por su gran fe y esperanza
que me ayudo a formarme como ser espiritual Y a todas las personas que han
colaborado en la construccioacuten de mis suentildeos Muchas Gracias
5
Iacutendice de figuras
FIGURA 1 Onda ideal 21
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsion armoacutenica 22
FIGURA 3 Espectro en frecuencias 23
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible 25
FIGURA 5 Cabezal Bobina 27
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador 32
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION 35
FIGURA 8 Controles de superficie 37
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento 40
FIGURA 10 fuerzas al interior 41
FIGURA 11 Fuerzas axiales 42
FIGURA 12 Desplazamiento axial 42
FIGURA 13 Fuerzas radiales 43
FIGURA 14 Desplazamiento radial 43
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg 53
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP 54
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1 55
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida 55
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP 56
6
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) 57
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal 58
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes 61
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank) 63
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank) 66
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA 71
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA 74
7
Contenido GENERALIDADES 11
INTRODUCCIOacuteN 11
CAPITULO IMARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION 14
11 TEMA 14
12 TITULO 14
13 SUBTITULO 14
14 AREA DE INVESTIGACION 14
15 MATERIAS DE INVESTIGACION 14
16 COBERTURA DEL ESTUDIO 14
17 CAMPO DE INTERES 14
18 DIRECTOR 14
19 ASESOR 14
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 15
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA 15
112 OBJETIVOS 16
1121 OBJETIVO GENERAL 16
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 16
113 JUSTIFICACIOacuteN 17
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA 19
21 ANTECEDENTES 19
22 CONCEPTOS GENERALES 20
8
221 Armoacutenico 20
222 Armoacutenico Caracteriacutestico 20
223 Carga Lineal 20
224 Carga no lineal 21
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total 22
226 Espectro en frecuencia 23
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES) 24
24 Disentildeo de transformadores 26
241 Factores 26
242 Aislamientos 27
243 Tolerancias 28
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT 28
25 Transformador 29
26 BOBINAS 31
27 Ductos de refrigeracioacuten 33
271 Cartoacuten corrugado 33
272 Duck STrip 33
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES 35
29 VSD 36
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES 38
211 MARCO LEGAL 44
9
2111 Normatividad 44
CAPITULO III METODOLOGIA 49
31 Tipo de Investigacioacuten 49
32 Meacutetodo de Investigacioacuten 49
33 Poblacioacuten y Muestra 50
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos 50
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos 51
351 Anaacutelisis investigativo 51
352 Anaacutelisis praacutectico 51
CAPITULO IV PROPUESTA 52
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1 54
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR) 56
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR 58
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS 63
ANALISIS DE RESULTADOS 75
ANEXOS 76
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 83
51 CONCLUSIONES 83
52 RECOMENDACIONES 84
REFERENCIAS 85
10
ABREVIACIONES
PST PHASE SHIFT TRANSFORMER
IN ENTRADA DE ALIMENTACION
VSD VARIABLE SPEED DRIVER (VARIADOR DE VELOCIDAD)
12P DOCE PULSOS
ESP ELECTRICAL SUMERSIBLE PUMPING
Dd0 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO DELTA SECUNDARIO EN FASE
Dyn1 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO ESTRELLA SECUNDARIO
CON DESFASE 30deg
SDT STEP DOWN TRANSFORMER
kVA POTENCIA NOMINAL DEL TRANSFORMADOR
THDv TOTAL HARMONIC DISTORSION VOLTAGE
THDi TOTAL HARMONIC DISTORSION CURRENT
IEEE 519 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power Systems
11
GENERALIDADES
INTRODUCCIOacuteN
En la actualidad el desarrollo de la sociedad estaacute ligado a la demanda de energiacutea
La industria el comercio y las distintas actividades econoacutemicas y cotidianas de las
personas dependen en gran parte del consumo de energiacutea eleacutectrica Por esto la
generacioacuten transmisioacuten y distribucioacuten de dicha energiacutea es de enorme importancia
para la sociedad actual
A partir del siglo XVIII la electricidad hace parte fundamental del desarrollo de la
humanidad en el aacutembito econoacutemico-industrial hacieacutendose indispensable una
estrategia para el transporte de esta maacutes allaacute de los lugares donde se podiacutea generar
en la cual las perdidas producto del efecto Joule fueran miacutenimas Lo anterior dio
origen a la construccioacuten del transformador como dispositivo que permite convertir
energiacutea alterna a diversos niveles de tensioacuten es decir puede aumentar o disminuir
un nivel de voltaje
Es gracias a este avance tecnoloacutegico que se ha facilitado el desarrollo de los
dispositivos industriales procesos y automatizacioacuten que en gran medida permite el
desarrollo del sector econoacutemico
A medida que avanza el tiempo se incrementa el consumo de energiacutea La industria
demanda mayor electricidad y la poblacioacuten aumenta Por lo tanto su consumo
tambieacuten lo hace Adicionalmente surgen nuevas tecnologiacuteas y a su vez nuevos
retos para los agentes del mercado que cada diacutea se enfrentan a numerosos
problemas inherentes al progreso y evolucioacuten Tal es el caso de las cargas no
lineales que generan corrientes no sinusoidales que ademaacutes de la componente
fundamental posee otras que son muacuteltiplos enteros de esta y se denominan
armoacutenicos
12
Es sabido que los armoacutenicos perjudican los niveles de cargabilidad de los
dispositivos y liacuteneas de los sistemas de distribucioacuten ademaacutes pueden distorsionar
los controladores en los sistemas electroacutenicos Tambieacuten eacutestos armoacutenicos pueden
causar errores adicionales en los discos de induccioacuten de los contadores asiacute mismo
producen problemas de operacioacuten en los sistemas de proteccioacuten
Particularmente en el caso de los transformadores desfasadores las afectaciones
por los armoacutenicos tienen gran relevancia Dada la Distorsioacuten el transformador en
su interior incrementa el valor de sus peacuterdidas de magnetizacioacuten y de peacuterdidas
paraacutesitas deteriorando de manera raacutepida la vida uacutetil del dispositivo Es por esto que
se requiere un anaacutelisis fundamentado en lo experimental y que permita lanzar
hipoacutetesis acerca de las necesidades de estudio de armoacutenicos en transformadores
Dado lo anterior y a partir de este proyecto se presenta una implementacioacuten de
protocolo de prueba de rutina para medir la distorsioacuten armoacutenica de transformadores
en presencia de cargas armoacutenicas Lo anterior se efectuacutea fundamentado en los
liacutemites establecidos en la norma IEEE 519 de 1992 y guiados por la NTC 1358 para
garantizar el cumplimiento de los estaacutendares exigidos por las normas vigentes que
promulgan el desarrollo de un mejor producto con mayor confiabilidad en los disentildeos
permitiendo de esta manera optimizar los recursos alcanzando el miacutenimo de
peacuterdidas posibles
13
ORGANIZACIOacuteN DEL DOCUMENTO
Este documento consta de 5 capiacutetulos presentados de la siguiente forma
Capiacutetulo 1 Introduccioacuten y resumen del objeto de estudio a lo largo del
Proyecto Explicacioacuten del problema y motivacioacuten de la realizacioacuten del
estudio presentacioacuten del objetivo general y especiacuteficos
Capiacutetulo 2 Presentacioacuten de conceptos y bases teoacutericas necesarias para la
comprensioacuten e implementacioacuten del protocolo de prueba
Capiacutetulo 3 Proceso de implementacioacuten de protocolo de prueba
Capiacutetulo 4 Resultados de las pruebas realizadas con su respectivo anaacutelisis
comparativo
Capiacutetulo 5 Conclusiones y recomendaciones
14
CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION
11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores
12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores
13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de
THD en transformadores con cargas armoacutenicas
14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten
armoacutenica en transformadores
15 MATERIAS DE INVESTIGACION
-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores
desfasadores
-Teoriacutea de armoacutenicos
-Disentildeo real del sistema ESP
-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en
transformadores
16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental
17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores
18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira
19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS
empresa responsable de la praacutectica conducente
15
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten
sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las
cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las
peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento
del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente
se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las
implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los
valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean
descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de
energiacutea como un indicador de gestioacuten
El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de
pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para
recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten
armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a
sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa
fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su
comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA
iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con
condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical
submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de
1992
16
112 OBJETIVOS
1121 OBJETIVO GENERAL
Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema
TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12
pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten
de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto
nacionales como internacionales para el efecto
- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una
relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador
eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el
momento
- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes
activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad
motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las
condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por
transformadores
- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn
y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador
17
resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en
presencia de cargas armoacutenicas
- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute
mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea
113 JUSTIFICACIOacuteN
El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas
que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las
expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere
una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las
variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al
sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia
hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los
usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes
aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando
Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba
de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA
simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria
del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales
del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de
forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como
Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de
simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador
18
tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse
adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el
impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo
inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta
forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos
Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute
con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca
y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el
cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto
de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas
Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina
para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria
de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992
y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades
de la industria
19
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA
En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia
los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar
la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica
referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los
transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los
paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba
21 ANTECEDENTES
Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica
intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego
de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan
armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la
existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores
del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]
Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los
armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519
publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten
armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse
que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la
tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce
la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene
distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]
20
22 CONCEPTOS GENERALES
221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la
sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y
peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el
calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta
Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la
fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden
impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba
de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que
las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda
222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no
compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de
estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los
equipos
223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento
de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores
consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no
se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda
sinusoidal proporcional a sus variaciones
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
2
EFECTO DE LA DISTORSIOacuteN ARMOacuteNICA EN TRANSFORMADORES
IMPLEMENTACIOacuteN DE PRUEBAS DE RUTINA PARA EL DIAGNOacuteSTICO DE
THD EN TRANSFORMADORES CON CARGAS ARMOacuteNICAS
MAYRA ALEJANDRA PERDOMO GARCIacuteA
PROYECTO DE GRADO
DIRECTOR
ING ALEXANDER MOLINA CABRERA
UNIVERSIDAD TECNOLOacuteGICA DE PEREIRA
FACULTAD DE INGENIERIacuteAS ELEacuteCTRICA ELECTROacuteNICA FIacuteSICA Y
CIENCIAS DE LA COMPUTACIOacuteN
PROGRAMA DE INGENIERIacuteA ELEacuteCTRICA
PEREIRA ndash RISARALDA
2016
3
Nota de aceptacioacuten
______________________________
______________________________
______________________________
______________________________
______________________________
Firma del jurado
______________________________
Firma del jurado
4
AGRADECIMIENTOS
A Dios la virgen y los aacutengeles por su compantildeiacutea e iluminacioacuten en el camino de la
vida A mi familia por ese gran apoyo incondicional que siempre me han brindado
A mi abuelo Abraham por sus sabias palabras y apoyo que estaacuten ahiacute cuando los
necesito A mi madre Noralba por inculcarme esos valores y ese amor que me han
ayudado a salir adelante A mi hermana Stefania por ese carintildeo apoyo
colaboracioacuten y amistad que siempre me brinda A mi novio Juan Carlos por su amor
confianza paciencia y apoyo que me ha dado en los momentos difiacuteciles A empresa
MAGNETRON SAS por darme la confianza y apoyo de realizar mi trabajo de grado
en sus instalaciones A mi director de proyecto por sus aportes y disponibilidad para
este proyecto A la doctora Luz Amparo por creer en miacute y por su gran fe y esperanza
que me ayudo a formarme como ser espiritual Y a todas las personas que han
colaborado en la construccioacuten de mis suentildeos Muchas Gracias
5
Iacutendice de figuras
FIGURA 1 Onda ideal 21
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsion armoacutenica 22
FIGURA 3 Espectro en frecuencias 23
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible 25
FIGURA 5 Cabezal Bobina 27
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador 32
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION 35
FIGURA 8 Controles de superficie 37
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento 40
FIGURA 10 fuerzas al interior 41
FIGURA 11 Fuerzas axiales 42
FIGURA 12 Desplazamiento axial 42
FIGURA 13 Fuerzas radiales 43
FIGURA 14 Desplazamiento radial 43
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg 53
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP 54
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1 55
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida 55
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP 56
6
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) 57
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal 58
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes 61
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank) 63
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank) 66
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA 71
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA 74
7
Contenido GENERALIDADES 11
INTRODUCCIOacuteN 11
CAPITULO IMARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION 14
11 TEMA 14
12 TITULO 14
13 SUBTITULO 14
14 AREA DE INVESTIGACION 14
15 MATERIAS DE INVESTIGACION 14
16 COBERTURA DEL ESTUDIO 14
17 CAMPO DE INTERES 14
18 DIRECTOR 14
19 ASESOR 14
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 15
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA 15
112 OBJETIVOS 16
1121 OBJETIVO GENERAL 16
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 16
113 JUSTIFICACIOacuteN 17
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA 19
21 ANTECEDENTES 19
22 CONCEPTOS GENERALES 20
8
221 Armoacutenico 20
222 Armoacutenico Caracteriacutestico 20
223 Carga Lineal 20
224 Carga no lineal 21
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total 22
226 Espectro en frecuencia 23
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES) 24
24 Disentildeo de transformadores 26
241 Factores 26
242 Aislamientos 27
243 Tolerancias 28
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT 28
25 Transformador 29
26 BOBINAS 31
27 Ductos de refrigeracioacuten 33
271 Cartoacuten corrugado 33
272 Duck STrip 33
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES 35
29 VSD 36
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES 38
211 MARCO LEGAL 44
9
2111 Normatividad 44
CAPITULO III METODOLOGIA 49
31 Tipo de Investigacioacuten 49
32 Meacutetodo de Investigacioacuten 49
33 Poblacioacuten y Muestra 50
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos 50
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos 51
351 Anaacutelisis investigativo 51
352 Anaacutelisis praacutectico 51
CAPITULO IV PROPUESTA 52
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1 54
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR) 56
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR 58
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS 63
ANALISIS DE RESULTADOS 75
ANEXOS 76
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 83
51 CONCLUSIONES 83
52 RECOMENDACIONES 84
REFERENCIAS 85
10
ABREVIACIONES
PST PHASE SHIFT TRANSFORMER
IN ENTRADA DE ALIMENTACION
VSD VARIABLE SPEED DRIVER (VARIADOR DE VELOCIDAD)
12P DOCE PULSOS
ESP ELECTRICAL SUMERSIBLE PUMPING
Dd0 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO DELTA SECUNDARIO EN FASE
Dyn1 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO ESTRELLA SECUNDARIO
CON DESFASE 30deg
SDT STEP DOWN TRANSFORMER
kVA POTENCIA NOMINAL DEL TRANSFORMADOR
THDv TOTAL HARMONIC DISTORSION VOLTAGE
THDi TOTAL HARMONIC DISTORSION CURRENT
IEEE 519 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power Systems
11
GENERALIDADES
INTRODUCCIOacuteN
En la actualidad el desarrollo de la sociedad estaacute ligado a la demanda de energiacutea
La industria el comercio y las distintas actividades econoacutemicas y cotidianas de las
personas dependen en gran parte del consumo de energiacutea eleacutectrica Por esto la
generacioacuten transmisioacuten y distribucioacuten de dicha energiacutea es de enorme importancia
para la sociedad actual
A partir del siglo XVIII la electricidad hace parte fundamental del desarrollo de la
humanidad en el aacutembito econoacutemico-industrial hacieacutendose indispensable una
estrategia para el transporte de esta maacutes allaacute de los lugares donde se podiacutea generar
en la cual las perdidas producto del efecto Joule fueran miacutenimas Lo anterior dio
origen a la construccioacuten del transformador como dispositivo que permite convertir
energiacutea alterna a diversos niveles de tensioacuten es decir puede aumentar o disminuir
un nivel de voltaje
Es gracias a este avance tecnoloacutegico que se ha facilitado el desarrollo de los
dispositivos industriales procesos y automatizacioacuten que en gran medida permite el
desarrollo del sector econoacutemico
A medida que avanza el tiempo se incrementa el consumo de energiacutea La industria
demanda mayor electricidad y la poblacioacuten aumenta Por lo tanto su consumo
tambieacuten lo hace Adicionalmente surgen nuevas tecnologiacuteas y a su vez nuevos
retos para los agentes del mercado que cada diacutea se enfrentan a numerosos
problemas inherentes al progreso y evolucioacuten Tal es el caso de las cargas no
lineales que generan corrientes no sinusoidales que ademaacutes de la componente
fundamental posee otras que son muacuteltiplos enteros de esta y se denominan
armoacutenicos
12
Es sabido que los armoacutenicos perjudican los niveles de cargabilidad de los
dispositivos y liacuteneas de los sistemas de distribucioacuten ademaacutes pueden distorsionar
los controladores en los sistemas electroacutenicos Tambieacuten eacutestos armoacutenicos pueden
causar errores adicionales en los discos de induccioacuten de los contadores asiacute mismo
producen problemas de operacioacuten en los sistemas de proteccioacuten
Particularmente en el caso de los transformadores desfasadores las afectaciones
por los armoacutenicos tienen gran relevancia Dada la Distorsioacuten el transformador en
su interior incrementa el valor de sus peacuterdidas de magnetizacioacuten y de peacuterdidas
paraacutesitas deteriorando de manera raacutepida la vida uacutetil del dispositivo Es por esto que
se requiere un anaacutelisis fundamentado en lo experimental y que permita lanzar
hipoacutetesis acerca de las necesidades de estudio de armoacutenicos en transformadores
Dado lo anterior y a partir de este proyecto se presenta una implementacioacuten de
protocolo de prueba de rutina para medir la distorsioacuten armoacutenica de transformadores
en presencia de cargas armoacutenicas Lo anterior se efectuacutea fundamentado en los
liacutemites establecidos en la norma IEEE 519 de 1992 y guiados por la NTC 1358 para
garantizar el cumplimiento de los estaacutendares exigidos por las normas vigentes que
promulgan el desarrollo de un mejor producto con mayor confiabilidad en los disentildeos
permitiendo de esta manera optimizar los recursos alcanzando el miacutenimo de
peacuterdidas posibles
13
ORGANIZACIOacuteN DEL DOCUMENTO
Este documento consta de 5 capiacutetulos presentados de la siguiente forma
Capiacutetulo 1 Introduccioacuten y resumen del objeto de estudio a lo largo del
Proyecto Explicacioacuten del problema y motivacioacuten de la realizacioacuten del
estudio presentacioacuten del objetivo general y especiacuteficos
Capiacutetulo 2 Presentacioacuten de conceptos y bases teoacutericas necesarias para la
comprensioacuten e implementacioacuten del protocolo de prueba
Capiacutetulo 3 Proceso de implementacioacuten de protocolo de prueba
Capiacutetulo 4 Resultados de las pruebas realizadas con su respectivo anaacutelisis
comparativo
Capiacutetulo 5 Conclusiones y recomendaciones
14
CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION
11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores
12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores
13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de
THD en transformadores con cargas armoacutenicas
14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten
armoacutenica en transformadores
15 MATERIAS DE INVESTIGACION
-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores
desfasadores
-Teoriacutea de armoacutenicos
-Disentildeo real del sistema ESP
-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en
transformadores
16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental
17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores
18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira
19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS
empresa responsable de la praacutectica conducente
15
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten
sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las
cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las
peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento
del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente
se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las
implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los
valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean
descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de
energiacutea como un indicador de gestioacuten
El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de
pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para
recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten
armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a
sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa
fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su
comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA
iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con
condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical
submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de
1992
16
112 OBJETIVOS
1121 OBJETIVO GENERAL
Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema
TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12
pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten
de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto
nacionales como internacionales para el efecto
- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una
relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador
eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el
momento
- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes
activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad
motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las
condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por
transformadores
- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn
y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador
17
resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en
presencia de cargas armoacutenicas
- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute
mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea
113 JUSTIFICACIOacuteN
El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas
que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las
expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere
una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las
variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al
sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia
hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los
usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes
aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando
Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba
de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA
simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria
del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales
del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de
forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como
Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de
simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador
18
tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse
adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el
impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo
inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta
forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos
Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute
con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca
y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el
cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto
de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas
Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina
para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria
de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992
y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades
de la industria
19
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA
En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia
los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar
la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica
referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los
transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los
paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba
21 ANTECEDENTES
Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica
intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego
de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan
armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la
existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores
del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]
Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los
armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519
publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten
armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse
que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la
tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce
la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene
distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]
20
22 CONCEPTOS GENERALES
221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la
sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y
peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el
calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta
Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la
fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden
impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba
de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que
las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda
222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no
compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de
estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los
equipos
223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento
de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores
consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no
se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda
sinusoidal proporcional a sus variaciones
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
3
Nota de aceptacioacuten
______________________________
______________________________
______________________________
______________________________
______________________________
Firma del jurado
______________________________
Firma del jurado
4
AGRADECIMIENTOS
A Dios la virgen y los aacutengeles por su compantildeiacutea e iluminacioacuten en el camino de la
vida A mi familia por ese gran apoyo incondicional que siempre me han brindado
A mi abuelo Abraham por sus sabias palabras y apoyo que estaacuten ahiacute cuando los
necesito A mi madre Noralba por inculcarme esos valores y ese amor que me han
ayudado a salir adelante A mi hermana Stefania por ese carintildeo apoyo
colaboracioacuten y amistad que siempre me brinda A mi novio Juan Carlos por su amor
confianza paciencia y apoyo que me ha dado en los momentos difiacuteciles A empresa
MAGNETRON SAS por darme la confianza y apoyo de realizar mi trabajo de grado
en sus instalaciones A mi director de proyecto por sus aportes y disponibilidad para
este proyecto A la doctora Luz Amparo por creer en miacute y por su gran fe y esperanza
que me ayudo a formarme como ser espiritual Y a todas las personas que han
colaborado en la construccioacuten de mis suentildeos Muchas Gracias
5
Iacutendice de figuras
FIGURA 1 Onda ideal 21
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsion armoacutenica 22
FIGURA 3 Espectro en frecuencias 23
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible 25
FIGURA 5 Cabezal Bobina 27
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador 32
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION 35
FIGURA 8 Controles de superficie 37
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento 40
FIGURA 10 fuerzas al interior 41
FIGURA 11 Fuerzas axiales 42
FIGURA 12 Desplazamiento axial 42
FIGURA 13 Fuerzas radiales 43
FIGURA 14 Desplazamiento radial 43
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg 53
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP 54
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1 55
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida 55
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP 56
6
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) 57
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal 58
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes 61
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank) 63
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank) 66
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA 71
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA 74
7
Contenido GENERALIDADES 11
INTRODUCCIOacuteN 11
CAPITULO IMARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION 14
11 TEMA 14
12 TITULO 14
13 SUBTITULO 14
14 AREA DE INVESTIGACION 14
15 MATERIAS DE INVESTIGACION 14
16 COBERTURA DEL ESTUDIO 14
17 CAMPO DE INTERES 14
18 DIRECTOR 14
19 ASESOR 14
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 15
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA 15
112 OBJETIVOS 16
1121 OBJETIVO GENERAL 16
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 16
113 JUSTIFICACIOacuteN 17
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA 19
21 ANTECEDENTES 19
22 CONCEPTOS GENERALES 20
8
221 Armoacutenico 20
222 Armoacutenico Caracteriacutestico 20
223 Carga Lineal 20
224 Carga no lineal 21
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total 22
226 Espectro en frecuencia 23
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES) 24
24 Disentildeo de transformadores 26
241 Factores 26
242 Aislamientos 27
243 Tolerancias 28
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT 28
25 Transformador 29
26 BOBINAS 31
27 Ductos de refrigeracioacuten 33
271 Cartoacuten corrugado 33
272 Duck STrip 33
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES 35
29 VSD 36
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES 38
211 MARCO LEGAL 44
9
2111 Normatividad 44
CAPITULO III METODOLOGIA 49
31 Tipo de Investigacioacuten 49
32 Meacutetodo de Investigacioacuten 49
33 Poblacioacuten y Muestra 50
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos 50
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos 51
351 Anaacutelisis investigativo 51
352 Anaacutelisis praacutectico 51
CAPITULO IV PROPUESTA 52
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1 54
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR) 56
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR 58
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS 63
ANALISIS DE RESULTADOS 75
ANEXOS 76
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 83
51 CONCLUSIONES 83
52 RECOMENDACIONES 84
REFERENCIAS 85
10
ABREVIACIONES
PST PHASE SHIFT TRANSFORMER
IN ENTRADA DE ALIMENTACION
VSD VARIABLE SPEED DRIVER (VARIADOR DE VELOCIDAD)
12P DOCE PULSOS
ESP ELECTRICAL SUMERSIBLE PUMPING
Dd0 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO DELTA SECUNDARIO EN FASE
Dyn1 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO ESTRELLA SECUNDARIO
CON DESFASE 30deg
SDT STEP DOWN TRANSFORMER
kVA POTENCIA NOMINAL DEL TRANSFORMADOR
THDv TOTAL HARMONIC DISTORSION VOLTAGE
THDi TOTAL HARMONIC DISTORSION CURRENT
IEEE 519 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power Systems
11
GENERALIDADES
INTRODUCCIOacuteN
En la actualidad el desarrollo de la sociedad estaacute ligado a la demanda de energiacutea
La industria el comercio y las distintas actividades econoacutemicas y cotidianas de las
personas dependen en gran parte del consumo de energiacutea eleacutectrica Por esto la
generacioacuten transmisioacuten y distribucioacuten de dicha energiacutea es de enorme importancia
para la sociedad actual
A partir del siglo XVIII la electricidad hace parte fundamental del desarrollo de la
humanidad en el aacutembito econoacutemico-industrial hacieacutendose indispensable una
estrategia para el transporte de esta maacutes allaacute de los lugares donde se podiacutea generar
en la cual las perdidas producto del efecto Joule fueran miacutenimas Lo anterior dio
origen a la construccioacuten del transformador como dispositivo que permite convertir
energiacutea alterna a diversos niveles de tensioacuten es decir puede aumentar o disminuir
un nivel de voltaje
Es gracias a este avance tecnoloacutegico que se ha facilitado el desarrollo de los
dispositivos industriales procesos y automatizacioacuten que en gran medida permite el
desarrollo del sector econoacutemico
A medida que avanza el tiempo se incrementa el consumo de energiacutea La industria
demanda mayor electricidad y la poblacioacuten aumenta Por lo tanto su consumo
tambieacuten lo hace Adicionalmente surgen nuevas tecnologiacuteas y a su vez nuevos
retos para los agentes del mercado que cada diacutea se enfrentan a numerosos
problemas inherentes al progreso y evolucioacuten Tal es el caso de las cargas no
lineales que generan corrientes no sinusoidales que ademaacutes de la componente
fundamental posee otras que son muacuteltiplos enteros de esta y se denominan
armoacutenicos
12
Es sabido que los armoacutenicos perjudican los niveles de cargabilidad de los
dispositivos y liacuteneas de los sistemas de distribucioacuten ademaacutes pueden distorsionar
los controladores en los sistemas electroacutenicos Tambieacuten eacutestos armoacutenicos pueden
causar errores adicionales en los discos de induccioacuten de los contadores asiacute mismo
producen problemas de operacioacuten en los sistemas de proteccioacuten
Particularmente en el caso de los transformadores desfasadores las afectaciones
por los armoacutenicos tienen gran relevancia Dada la Distorsioacuten el transformador en
su interior incrementa el valor de sus peacuterdidas de magnetizacioacuten y de peacuterdidas
paraacutesitas deteriorando de manera raacutepida la vida uacutetil del dispositivo Es por esto que
se requiere un anaacutelisis fundamentado en lo experimental y que permita lanzar
hipoacutetesis acerca de las necesidades de estudio de armoacutenicos en transformadores
Dado lo anterior y a partir de este proyecto se presenta una implementacioacuten de
protocolo de prueba de rutina para medir la distorsioacuten armoacutenica de transformadores
en presencia de cargas armoacutenicas Lo anterior se efectuacutea fundamentado en los
liacutemites establecidos en la norma IEEE 519 de 1992 y guiados por la NTC 1358 para
garantizar el cumplimiento de los estaacutendares exigidos por las normas vigentes que
promulgan el desarrollo de un mejor producto con mayor confiabilidad en los disentildeos
permitiendo de esta manera optimizar los recursos alcanzando el miacutenimo de
peacuterdidas posibles
13
ORGANIZACIOacuteN DEL DOCUMENTO
Este documento consta de 5 capiacutetulos presentados de la siguiente forma
Capiacutetulo 1 Introduccioacuten y resumen del objeto de estudio a lo largo del
Proyecto Explicacioacuten del problema y motivacioacuten de la realizacioacuten del
estudio presentacioacuten del objetivo general y especiacuteficos
Capiacutetulo 2 Presentacioacuten de conceptos y bases teoacutericas necesarias para la
comprensioacuten e implementacioacuten del protocolo de prueba
Capiacutetulo 3 Proceso de implementacioacuten de protocolo de prueba
Capiacutetulo 4 Resultados de las pruebas realizadas con su respectivo anaacutelisis
comparativo
Capiacutetulo 5 Conclusiones y recomendaciones
14
CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION
11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores
12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores
13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de
THD en transformadores con cargas armoacutenicas
14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten
armoacutenica en transformadores
15 MATERIAS DE INVESTIGACION
-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores
desfasadores
-Teoriacutea de armoacutenicos
-Disentildeo real del sistema ESP
-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en
transformadores
16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental
17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores
18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira
19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS
empresa responsable de la praacutectica conducente
15
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten
sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las
cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las
peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento
del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente
se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las
implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los
valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean
descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de
energiacutea como un indicador de gestioacuten
El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de
pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para
recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten
armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a
sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa
fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su
comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA
iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con
condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical
submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de
1992
16
112 OBJETIVOS
1121 OBJETIVO GENERAL
Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema
TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12
pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten
de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto
nacionales como internacionales para el efecto
- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una
relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador
eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el
momento
- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes
activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad
motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las
condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por
transformadores
- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn
y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador
17
resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en
presencia de cargas armoacutenicas
- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute
mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea
113 JUSTIFICACIOacuteN
El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas
que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las
expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere
una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las
variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al
sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia
hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los
usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes
aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando
Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba
de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA
simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria
del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales
del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de
forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como
Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de
simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador
18
tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse
adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el
impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo
inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta
forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos
Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute
con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca
y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el
cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto
de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas
Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina
para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria
de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992
y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades
de la industria
19
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA
En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia
los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar
la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica
referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los
transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los
paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba
21 ANTECEDENTES
Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica
intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego
de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan
armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la
existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores
del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]
Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los
armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519
publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten
armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse
que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la
tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce
la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene
distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]
20
22 CONCEPTOS GENERALES
221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la
sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y
peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el
calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta
Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la
fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden
impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba
de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que
las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda
222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no
compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de
estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los
equipos
223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento
de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores
consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no
se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda
sinusoidal proporcional a sus variaciones
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
4
AGRADECIMIENTOS
A Dios la virgen y los aacutengeles por su compantildeiacutea e iluminacioacuten en el camino de la
vida A mi familia por ese gran apoyo incondicional que siempre me han brindado
A mi abuelo Abraham por sus sabias palabras y apoyo que estaacuten ahiacute cuando los
necesito A mi madre Noralba por inculcarme esos valores y ese amor que me han
ayudado a salir adelante A mi hermana Stefania por ese carintildeo apoyo
colaboracioacuten y amistad que siempre me brinda A mi novio Juan Carlos por su amor
confianza paciencia y apoyo que me ha dado en los momentos difiacuteciles A empresa
MAGNETRON SAS por darme la confianza y apoyo de realizar mi trabajo de grado
en sus instalaciones A mi director de proyecto por sus aportes y disponibilidad para
este proyecto A la doctora Luz Amparo por creer en miacute y por su gran fe y esperanza
que me ayudo a formarme como ser espiritual Y a todas las personas que han
colaborado en la construccioacuten de mis suentildeos Muchas Gracias
5
Iacutendice de figuras
FIGURA 1 Onda ideal 21
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsion armoacutenica 22
FIGURA 3 Espectro en frecuencias 23
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible 25
FIGURA 5 Cabezal Bobina 27
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador 32
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION 35
FIGURA 8 Controles de superficie 37
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento 40
FIGURA 10 fuerzas al interior 41
FIGURA 11 Fuerzas axiales 42
FIGURA 12 Desplazamiento axial 42
FIGURA 13 Fuerzas radiales 43
FIGURA 14 Desplazamiento radial 43
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg 53
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP 54
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1 55
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida 55
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP 56
6
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) 57
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal 58
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes 61
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank) 63
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank) 66
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA 71
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA 74
7
Contenido GENERALIDADES 11
INTRODUCCIOacuteN 11
CAPITULO IMARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION 14
11 TEMA 14
12 TITULO 14
13 SUBTITULO 14
14 AREA DE INVESTIGACION 14
15 MATERIAS DE INVESTIGACION 14
16 COBERTURA DEL ESTUDIO 14
17 CAMPO DE INTERES 14
18 DIRECTOR 14
19 ASESOR 14
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 15
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA 15
112 OBJETIVOS 16
1121 OBJETIVO GENERAL 16
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 16
113 JUSTIFICACIOacuteN 17
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA 19
21 ANTECEDENTES 19
22 CONCEPTOS GENERALES 20
8
221 Armoacutenico 20
222 Armoacutenico Caracteriacutestico 20
223 Carga Lineal 20
224 Carga no lineal 21
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total 22
226 Espectro en frecuencia 23
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES) 24
24 Disentildeo de transformadores 26
241 Factores 26
242 Aislamientos 27
243 Tolerancias 28
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT 28
25 Transformador 29
26 BOBINAS 31
27 Ductos de refrigeracioacuten 33
271 Cartoacuten corrugado 33
272 Duck STrip 33
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES 35
29 VSD 36
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES 38
211 MARCO LEGAL 44
9
2111 Normatividad 44
CAPITULO III METODOLOGIA 49
31 Tipo de Investigacioacuten 49
32 Meacutetodo de Investigacioacuten 49
33 Poblacioacuten y Muestra 50
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos 50
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos 51
351 Anaacutelisis investigativo 51
352 Anaacutelisis praacutectico 51
CAPITULO IV PROPUESTA 52
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1 54
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR) 56
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR 58
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS 63
ANALISIS DE RESULTADOS 75
ANEXOS 76
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 83
51 CONCLUSIONES 83
52 RECOMENDACIONES 84
REFERENCIAS 85
10
ABREVIACIONES
PST PHASE SHIFT TRANSFORMER
IN ENTRADA DE ALIMENTACION
VSD VARIABLE SPEED DRIVER (VARIADOR DE VELOCIDAD)
12P DOCE PULSOS
ESP ELECTRICAL SUMERSIBLE PUMPING
Dd0 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO DELTA SECUNDARIO EN FASE
Dyn1 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO ESTRELLA SECUNDARIO
CON DESFASE 30deg
SDT STEP DOWN TRANSFORMER
kVA POTENCIA NOMINAL DEL TRANSFORMADOR
THDv TOTAL HARMONIC DISTORSION VOLTAGE
THDi TOTAL HARMONIC DISTORSION CURRENT
IEEE 519 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power Systems
11
GENERALIDADES
INTRODUCCIOacuteN
En la actualidad el desarrollo de la sociedad estaacute ligado a la demanda de energiacutea
La industria el comercio y las distintas actividades econoacutemicas y cotidianas de las
personas dependen en gran parte del consumo de energiacutea eleacutectrica Por esto la
generacioacuten transmisioacuten y distribucioacuten de dicha energiacutea es de enorme importancia
para la sociedad actual
A partir del siglo XVIII la electricidad hace parte fundamental del desarrollo de la
humanidad en el aacutembito econoacutemico-industrial hacieacutendose indispensable una
estrategia para el transporte de esta maacutes allaacute de los lugares donde se podiacutea generar
en la cual las perdidas producto del efecto Joule fueran miacutenimas Lo anterior dio
origen a la construccioacuten del transformador como dispositivo que permite convertir
energiacutea alterna a diversos niveles de tensioacuten es decir puede aumentar o disminuir
un nivel de voltaje
Es gracias a este avance tecnoloacutegico que se ha facilitado el desarrollo de los
dispositivos industriales procesos y automatizacioacuten que en gran medida permite el
desarrollo del sector econoacutemico
A medida que avanza el tiempo se incrementa el consumo de energiacutea La industria
demanda mayor electricidad y la poblacioacuten aumenta Por lo tanto su consumo
tambieacuten lo hace Adicionalmente surgen nuevas tecnologiacuteas y a su vez nuevos
retos para los agentes del mercado que cada diacutea se enfrentan a numerosos
problemas inherentes al progreso y evolucioacuten Tal es el caso de las cargas no
lineales que generan corrientes no sinusoidales que ademaacutes de la componente
fundamental posee otras que son muacuteltiplos enteros de esta y se denominan
armoacutenicos
12
Es sabido que los armoacutenicos perjudican los niveles de cargabilidad de los
dispositivos y liacuteneas de los sistemas de distribucioacuten ademaacutes pueden distorsionar
los controladores en los sistemas electroacutenicos Tambieacuten eacutestos armoacutenicos pueden
causar errores adicionales en los discos de induccioacuten de los contadores asiacute mismo
producen problemas de operacioacuten en los sistemas de proteccioacuten
Particularmente en el caso de los transformadores desfasadores las afectaciones
por los armoacutenicos tienen gran relevancia Dada la Distorsioacuten el transformador en
su interior incrementa el valor de sus peacuterdidas de magnetizacioacuten y de peacuterdidas
paraacutesitas deteriorando de manera raacutepida la vida uacutetil del dispositivo Es por esto que
se requiere un anaacutelisis fundamentado en lo experimental y que permita lanzar
hipoacutetesis acerca de las necesidades de estudio de armoacutenicos en transformadores
Dado lo anterior y a partir de este proyecto se presenta una implementacioacuten de
protocolo de prueba de rutina para medir la distorsioacuten armoacutenica de transformadores
en presencia de cargas armoacutenicas Lo anterior se efectuacutea fundamentado en los
liacutemites establecidos en la norma IEEE 519 de 1992 y guiados por la NTC 1358 para
garantizar el cumplimiento de los estaacutendares exigidos por las normas vigentes que
promulgan el desarrollo de un mejor producto con mayor confiabilidad en los disentildeos
permitiendo de esta manera optimizar los recursos alcanzando el miacutenimo de
peacuterdidas posibles
13
ORGANIZACIOacuteN DEL DOCUMENTO
Este documento consta de 5 capiacutetulos presentados de la siguiente forma
Capiacutetulo 1 Introduccioacuten y resumen del objeto de estudio a lo largo del
Proyecto Explicacioacuten del problema y motivacioacuten de la realizacioacuten del
estudio presentacioacuten del objetivo general y especiacuteficos
Capiacutetulo 2 Presentacioacuten de conceptos y bases teoacutericas necesarias para la
comprensioacuten e implementacioacuten del protocolo de prueba
Capiacutetulo 3 Proceso de implementacioacuten de protocolo de prueba
Capiacutetulo 4 Resultados de las pruebas realizadas con su respectivo anaacutelisis
comparativo
Capiacutetulo 5 Conclusiones y recomendaciones
14
CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION
11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores
12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores
13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de
THD en transformadores con cargas armoacutenicas
14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten
armoacutenica en transformadores
15 MATERIAS DE INVESTIGACION
-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores
desfasadores
-Teoriacutea de armoacutenicos
-Disentildeo real del sistema ESP
-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en
transformadores
16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental
17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores
18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira
19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS
empresa responsable de la praacutectica conducente
15
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten
sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las
cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las
peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento
del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente
se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las
implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los
valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean
descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de
energiacutea como un indicador de gestioacuten
El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de
pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para
recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten
armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a
sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa
fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su
comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA
iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con
condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical
submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de
1992
16
112 OBJETIVOS
1121 OBJETIVO GENERAL
Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema
TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12
pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten
de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto
nacionales como internacionales para el efecto
- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una
relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador
eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el
momento
- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes
activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad
motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las
condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por
transformadores
- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn
y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador
17
resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en
presencia de cargas armoacutenicas
- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute
mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea
113 JUSTIFICACIOacuteN
El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas
que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las
expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere
una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las
variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al
sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia
hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los
usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes
aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando
Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba
de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA
simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria
del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales
del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de
forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como
Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de
simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador
18
tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse
adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el
impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo
inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta
forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos
Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute
con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca
y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el
cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto
de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas
Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina
para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria
de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992
y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades
de la industria
19
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA
En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia
los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar
la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica
referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los
transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los
paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba
21 ANTECEDENTES
Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica
intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego
de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan
armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la
existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores
del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]
Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los
armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519
publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten
armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse
que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la
tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce
la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene
distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]
20
22 CONCEPTOS GENERALES
221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la
sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y
peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el
calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta
Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la
fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden
impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba
de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que
las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda
222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no
compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de
estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los
equipos
223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento
de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores
consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no
se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda
sinusoidal proporcional a sus variaciones
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
5
Iacutendice de figuras
FIGURA 1 Onda ideal 21
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsion armoacutenica 22
FIGURA 3 Espectro en frecuencias 23
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible 25
FIGURA 5 Cabezal Bobina 27
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador 32
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION 35
FIGURA 8 Controles de superficie 37
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento 40
FIGURA 10 fuerzas al interior 41
FIGURA 11 Fuerzas axiales 42
FIGURA 12 Desplazamiento axial 42
FIGURA 13 Fuerzas radiales 43
FIGURA 14 Desplazamiento radial 43
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg 53
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP 54
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1 55
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida 55
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP 56
6
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) 57
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal 58
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes 61
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank) 63
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank) 66
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA 71
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA 74
7
Contenido GENERALIDADES 11
INTRODUCCIOacuteN 11
CAPITULO IMARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION 14
11 TEMA 14
12 TITULO 14
13 SUBTITULO 14
14 AREA DE INVESTIGACION 14
15 MATERIAS DE INVESTIGACION 14
16 COBERTURA DEL ESTUDIO 14
17 CAMPO DE INTERES 14
18 DIRECTOR 14
19 ASESOR 14
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 15
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA 15
112 OBJETIVOS 16
1121 OBJETIVO GENERAL 16
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 16
113 JUSTIFICACIOacuteN 17
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA 19
21 ANTECEDENTES 19
22 CONCEPTOS GENERALES 20
8
221 Armoacutenico 20
222 Armoacutenico Caracteriacutestico 20
223 Carga Lineal 20
224 Carga no lineal 21
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total 22
226 Espectro en frecuencia 23
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES) 24
24 Disentildeo de transformadores 26
241 Factores 26
242 Aislamientos 27
243 Tolerancias 28
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT 28
25 Transformador 29
26 BOBINAS 31
27 Ductos de refrigeracioacuten 33
271 Cartoacuten corrugado 33
272 Duck STrip 33
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES 35
29 VSD 36
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES 38
211 MARCO LEGAL 44
9
2111 Normatividad 44
CAPITULO III METODOLOGIA 49
31 Tipo de Investigacioacuten 49
32 Meacutetodo de Investigacioacuten 49
33 Poblacioacuten y Muestra 50
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos 50
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos 51
351 Anaacutelisis investigativo 51
352 Anaacutelisis praacutectico 51
CAPITULO IV PROPUESTA 52
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1 54
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR) 56
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR 58
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS 63
ANALISIS DE RESULTADOS 75
ANEXOS 76
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 83
51 CONCLUSIONES 83
52 RECOMENDACIONES 84
REFERENCIAS 85
10
ABREVIACIONES
PST PHASE SHIFT TRANSFORMER
IN ENTRADA DE ALIMENTACION
VSD VARIABLE SPEED DRIVER (VARIADOR DE VELOCIDAD)
12P DOCE PULSOS
ESP ELECTRICAL SUMERSIBLE PUMPING
Dd0 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO DELTA SECUNDARIO EN FASE
Dyn1 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO ESTRELLA SECUNDARIO
CON DESFASE 30deg
SDT STEP DOWN TRANSFORMER
kVA POTENCIA NOMINAL DEL TRANSFORMADOR
THDv TOTAL HARMONIC DISTORSION VOLTAGE
THDi TOTAL HARMONIC DISTORSION CURRENT
IEEE 519 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power Systems
11
GENERALIDADES
INTRODUCCIOacuteN
En la actualidad el desarrollo de la sociedad estaacute ligado a la demanda de energiacutea
La industria el comercio y las distintas actividades econoacutemicas y cotidianas de las
personas dependen en gran parte del consumo de energiacutea eleacutectrica Por esto la
generacioacuten transmisioacuten y distribucioacuten de dicha energiacutea es de enorme importancia
para la sociedad actual
A partir del siglo XVIII la electricidad hace parte fundamental del desarrollo de la
humanidad en el aacutembito econoacutemico-industrial hacieacutendose indispensable una
estrategia para el transporte de esta maacutes allaacute de los lugares donde se podiacutea generar
en la cual las perdidas producto del efecto Joule fueran miacutenimas Lo anterior dio
origen a la construccioacuten del transformador como dispositivo que permite convertir
energiacutea alterna a diversos niveles de tensioacuten es decir puede aumentar o disminuir
un nivel de voltaje
Es gracias a este avance tecnoloacutegico que se ha facilitado el desarrollo de los
dispositivos industriales procesos y automatizacioacuten que en gran medida permite el
desarrollo del sector econoacutemico
A medida que avanza el tiempo se incrementa el consumo de energiacutea La industria
demanda mayor electricidad y la poblacioacuten aumenta Por lo tanto su consumo
tambieacuten lo hace Adicionalmente surgen nuevas tecnologiacuteas y a su vez nuevos
retos para los agentes del mercado que cada diacutea se enfrentan a numerosos
problemas inherentes al progreso y evolucioacuten Tal es el caso de las cargas no
lineales que generan corrientes no sinusoidales que ademaacutes de la componente
fundamental posee otras que son muacuteltiplos enteros de esta y se denominan
armoacutenicos
12
Es sabido que los armoacutenicos perjudican los niveles de cargabilidad de los
dispositivos y liacuteneas de los sistemas de distribucioacuten ademaacutes pueden distorsionar
los controladores en los sistemas electroacutenicos Tambieacuten eacutestos armoacutenicos pueden
causar errores adicionales en los discos de induccioacuten de los contadores asiacute mismo
producen problemas de operacioacuten en los sistemas de proteccioacuten
Particularmente en el caso de los transformadores desfasadores las afectaciones
por los armoacutenicos tienen gran relevancia Dada la Distorsioacuten el transformador en
su interior incrementa el valor de sus peacuterdidas de magnetizacioacuten y de peacuterdidas
paraacutesitas deteriorando de manera raacutepida la vida uacutetil del dispositivo Es por esto que
se requiere un anaacutelisis fundamentado en lo experimental y que permita lanzar
hipoacutetesis acerca de las necesidades de estudio de armoacutenicos en transformadores
Dado lo anterior y a partir de este proyecto se presenta una implementacioacuten de
protocolo de prueba de rutina para medir la distorsioacuten armoacutenica de transformadores
en presencia de cargas armoacutenicas Lo anterior se efectuacutea fundamentado en los
liacutemites establecidos en la norma IEEE 519 de 1992 y guiados por la NTC 1358 para
garantizar el cumplimiento de los estaacutendares exigidos por las normas vigentes que
promulgan el desarrollo de un mejor producto con mayor confiabilidad en los disentildeos
permitiendo de esta manera optimizar los recursos alcanzando el miacutenimo de
peacuterdidas posibles
13
ORGANIZACIOacuteN DEL DOCUMENTO
Este documento consta de 5 capiacutetulos presentados de la siguiente forma
Capiacutetulo 1 Introduccioacuten y resumen del objeto de estudio a lo largo del
Proyecto Explicacioacuten del problema y motivacioacuten de la realizacioacuten del
estudio presentacioacuten del objetivo general y especiacuteficos
Capiacutetulo 2 Presentacioacuten de conceptos y bases teoacutericas necesarias para la
comprensioacuten e implementacioacuten del protocolo de prueba
Capiacutetulo 3 Proceso de implementacioacuten de protocolo de prueba
Capiacutetulo 4 Resultados de las pruebas realizadas con su respectivo anaacutelisis
comparativo
Capiacutetulo 5 Conclusiones y recomendaciones
14
CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION
11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores
12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores
13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de
THD en transformadores con cargas armoacutenicas
14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten
armoacutenica en transformadores
15 MATERIAS DE INVESTIGACION
-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores
desfasadores
-Teoriacutea de armoacutenicos
-Disentildeo real del sistema ESP
-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en
transformadores
16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental
17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores
18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira
19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS
empresa responsable de la praacutectica conducente
15
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten
sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las
cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las
peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento
del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente
se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las
implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los
valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean
descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de
energiacutea como un indicador de gestioacuten
El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de
pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para
recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten
armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a
sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa
fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su
comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA
iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con
condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical
submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de
1992
16
112 OBJETIVOS
1121 OBJETIVO GENERAL
Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema
TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12
pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten
de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto
nacionales como internacionales para el efecto
- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una
relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador
eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el
momento
- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes
activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad
motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las
condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por
transformadores
- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn
y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador
17
resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en
presencia de cargas armoacutenicas
- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute
mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea
113 JUSTIFICACIOacuteN
El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas
que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las
expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere
una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las
variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al
sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia
hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los
usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes
aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando
Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba
de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA
simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria
del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales
del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de
forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como
Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de
simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador
18
tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse
adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el
impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo
inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta
forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos
Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute
con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca
y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el
cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto
de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas
Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina
para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria
de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992
y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades
de la industria
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CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA
En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia
los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar
la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica
referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los
transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los
paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba
21 ANTECEDENTES
Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica
intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego
de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan
armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la
existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores
del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]
Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los
armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519
publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten
armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse
que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la
tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce
la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene
distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]
20
22 CONCEPTOS GENERALES
221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la
sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y
peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el
calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta
Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la
fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden
impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba
de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que
las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda
222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no
compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de
estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los
equipos
223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento
de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores
consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no
se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda
sinusoidal proporcional a sus variaciones
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
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VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
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242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
6
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) 57
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal 58
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes 61
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank) 63
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank) 66
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA 71
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA 74
7
Contenido GENERALIDADES 11
INTRODUCCIOacuteN 11
CAPITULO IMARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION 14
11 TEMA 14
12 TITULO 14
13 SUBTITULO 14
14 AREA DE INVESTIGACION 14
15 MATERIAS DE INVESTIGACION 14
16 COBERTURA DEL ESTUDIO 14
17 CAMPO DE INTERES 14
18 DIRECTOR 14
19 ASESOR 14
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 15
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA 15
112 OBJETIVOS 16
1121 OBJETIVO GENERAL 16
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 16
113 JUSTIFICACIOacuteN 17
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA 19
21 ANTECEDENTES 19
22 CONCEPTOS GENERALES 20
8
221 Armoacutenico 20
222 Armoacutenico Caracteriacutestico 20
223 Carga Lineal 20
224 Carga no lineal 21
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total 22
226 Espectro en frecuencia 23
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES) 24
24 Disentildeo de transformadores 26
241 Factores 26
242 Aislamientos 27
243 Tolerancias 28
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT 28
25 Transformador 29
26 BOBINAS 31
27 Ductos de refrigeracioacuten 33
271 Cartoacuten corrugado 33
272 Duck STrip 33
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES 35
29 VSD 36
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES 38
211 MARCO LEGAL 44
9
2111 Normatividad 44
CAPITULO III METODOLOGIA 49
31 Tipo de Investigacioacuten 49
32 Meacutetodo de Investigacioacuten 49
33 Poblacioacuten y Muestra 50
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos 50
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos 51
351 Anaacutelisis investigativo 51
352 Anaacutelisis praacutectico 51
CAPITULO IV PROPUESTA 52
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1 54
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR) 56
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR 58
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS 63
ANALISIS DE RESULTADOS 75
ANEXOS 76
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 83
51 CONCLUSIONES 83
52 RECOMENDACIONES 84
REFERENCIAS 85
10
ABREVIACIONES
PST PHASE SHIFT TRANSFORMER
IN ENTRADA DE ALIMENTACION
VSD VARIABLE SPEED DRIVER (VARIADOR DE VELOCIDAD)
12P DOCE PULSOS
ESP ELECTRICAL SUMERSIBLE PUMPING
Dd0 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO DELTA SECUNDARIO EN FASE
Dyn1 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO ESTRELLA SECUNDARIO
CON DESFASE 30deg
SDT STEP DOWN TRANSFORMER
kVA POTENCIA NOMINAL DEL TRANSFORMADOR
THDv TOTAL HARMONIC DISTORSION VOLTAGE
THDi TOTAL HARMONIC DISTORSION CURRENT
IEEE 519 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power Systems
11
GENERALIDADES
INTRODUCCIOacuteN
En la actualidad el desarrollo de la sociedad estaacute ligado a la demanda de energiacutea
La industria el comercio y las distintas actividades econoacutemicas y cotidianas de las
personas dependen en gran parte del consumo de energiacutea eleacutectrica Por esto la
generacioacuten transmisioacuten y distribucioacuten de dicha energiacutea es de enorme importancia
para la sociedad actual
A partir del siglo XVIII la electricidad hace parte fundamental del desarrollo de la
humanidad en el aacutembito econoacutemico-industrial hacieacutendose indispensable una
estrategia para el transporte de esta maacutes allaacute de los lugares donde se podiacutea generar
en la cual las perdidas producto del efecto Joule fueran miacutenimas Lo anterior dio
origen a la construccioacuten del transformador como dispositivo que permite convertir
energiacutea alterna a diversos niveles de tensioacuten es decir puede aumentar o disminuir
un nivel de voltaje
Es gracias a este avance tecnoloacutegico que se ha facilitado el desarrollo de los
dispositivos industriales procesos y automatizacioacuten que en gran medida permite el
desarrollo del sector econoacutemico
A medida que avanza el tiempo se incrementa el consumo de energiacutea La industria
demanda mayor electricidad y la poblacioacuten aumenta Por lo tanto su consumo
tambieacuten lo hace Adicionalmente surgen nuevas tecnologiacuteas y a su vez nuevos
retos para los agentes del mercado que cada diacutea se enfrentan a numerosos
problemas inherentes al progreso y evolucioacuten Tal es el caso de las cargas no
lineales que generan corrientes no sinusoidales que ademaacutes de la componente
fundamental posee otras que son muacuteltiplos enteros de esta y se denominan
armoacutenicos
12
Es sabido que los armoacutenicos perjudican los niveles de cargabilidad de los
dispositivos y liacuteneas de los sistemas de distribucioacuten ademaacutes pueden distorsionar
los controladores en los sistemas electroacutenicos Tambieacuten eacutestos armoacutenicos pueden
causar errores adicionales en los discos de induccioacuten de los contadores asiacute mismo
producen problemas de operacioacuten en los sistemas de proteccioacuten
Particularmente en el caso de los transformadores desfasadores las afectaciones
por los armoacutenicos tienen gran relevancia Dada la Distorsioacuten el transformador en
su interior incrementa el valor de sus peacuterdidas de magnetizacioacuten y de peacuterdidas
paraacutesitas deteriorando de manera raacutepida la vida uacutetil del dispositivo Es por esto que
se requiere un anaacutelisis fundamentado en lo experimental y que permita lanzar
hipoacutetesis acerca de las necesidades de estudio de armoacutenicos en transformadores
Dado lo anterior y a partir de este proyecto se presenta una implementacioacuten de
protocolo de prueba de rutina para medir la distorsioacuten armoacutenica de transformadores
en presencia de cargas armoacutenicas Lo anterior se efectuacutea fundamentado en los
liacutemites establecidos en la norma IEEE 519 de 1992 y guiados por la NTC 1358 para
garantizar el cumplimiento de los estaacutendares exigidos por las normas vigentes que
promulgan el desarrollo de un mejor producto con mayor confiabilidad en los disentildeos
permitiendo de esta manera optimizar los recursos alcanzando el miacutenimo de
peacuterdidas posibles
13
ORGANIZACIOacuteN DEL DOCUMENTO
Este documento consta de 5 capiacutetulos presentados de la siguiente forma
Capiacutetulo 1 Introduccioacuten y resumen del objeto de estudio a lo largo del
Proyecto Explicacioacuten del problema y motivacioacuten de la realizacioacuten del
estudio presentacioacuten del objetivo general y especiacuteficos
Capiacutetulo 2 Presentacioacuten de conceptos y bases teoacutericas necesarias para la
comprensioacuten e implementacioacuten del protocolo de prueba
Capiacutetulo 3 Proceso de implementacioacuten de protocolo de prueba
Capiacutetulo 4 Resultados de las pruebas realizadas con su respectivo anaacutelisis
comparativo
Capiacutetulo 5 Conclusiones y recomendaciones
14
CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION
11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores
12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores
13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de
THD en transformadores con cargas armoacutenicas
14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten
armoacutenica en transformadores
15 MATERIAS DE INVESTIGACION
-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores
desfasadores
-Teoriacutea de armoacutenicos
-Disentildeo real del sistema ESP
-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en
transformadores
16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental
17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores
18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira
19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS
empresa responsable de la praacutectica conducente
15
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten
sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las
cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las
peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento
del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente
se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las
implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los
valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean
descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de
energiacutea como un indicador de gestioacuten
El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de
pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para
recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten
armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a
sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa
fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su
comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA
iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con
condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical
submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de
1992
16
112 OBJETIVOS
1121 OBJETIVO GENERAL
Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema
TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12
pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten
de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto
nacionales como internacionales para el efecto
- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una
relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador
eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el
momento
- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes
activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad
motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las
condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por
transformadores
- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn
y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador
17
resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en
presencia de cargas armoacutenicas
- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute
mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea
113 JUSTIFICACIOacuteN
El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas
que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las
expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere
una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las
variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al
sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia
hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los
usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes
aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando
Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba
de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA
simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria
del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales
del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de
forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como
Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de
simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador
18
tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse
adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el
impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo
inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta
forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos
Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute
con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca
y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el
cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto
de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas
Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina
para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria
de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992
y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades
de la industria
19
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA
En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia
los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar
la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica
referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los
transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los
paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba
21 ANTECEDENTES
Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica
intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego
de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan
armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la
existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores
del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]
Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los
armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519
publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten
armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse
que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la
tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce
la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene
distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]
20
22 CONCEPTOS GENERALES
221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la
sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y
peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el
calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta
Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la
fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden
impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba
de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que
las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda
222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no
compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de
estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los
equipos
223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento
de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores
consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no
se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda
sinusoidal proporcional a sus variaciones
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
7
Contenido GENERALIDADES 11
INTRODUCCIOacuteN 11
CAPITULO IMARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION 14
11 TEMA 14
12 TITULO 14
13 SUBTITULO 14
14 AREA DE INVESTIGACION 14
15 MATERIAS DE INVESTIGACION 14
16 COBERTURA DEL ESTUDIO 14
17 CAMPO DE INTERES 14
18 DIRECTOR 14
19 ASESOR 14
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 15
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA 15
112 OBJETIVOS 16
1121 OBJETIVO GENERAL 16
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 16
113 JUSTIFICACIOacuteN 17
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA 19
21 ANTECEDENTES 19
22 CONCEPTOS GENERALES 20
8
221 Armoacutenico 20
222 Armoacutenico Caracteriacutestico 20
223 Carga Lineal 20
224 Carga no lineal 21
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total 22
226 Espectro en frecuencia 23
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES) 24
24 Disentildeo de transformadores 26
241 Factores 26
242 Aislamientos 27
243 Tolerancias 28
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT 28
25 Transformador 29
26 BOBINAS 31
27 Ductos de refrigeracioacuten 33
271 Cartoacuten corrugado 33
272 Duck STrip 33
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES 35
29 VSD 36
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES 38
211 MARCO LEGAL 44
9
2111 Normatividad 44
CAPITULO III METODOLOGIA 49
31 Tipo de Investigacioacuten 49
32 Meacutetodo de Investigacioacuten 49
33 Poblacioacuten y Muestra 50
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos 50
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos 51
351 Anaacutelisis investigativo 51
352 Anaacutelisis praacutectico 51
CAPITULO IV PROPUESTA 52
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1 54
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR) 56
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR 58
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS 63
ANALISIS DE RESULTADOS 75
ANEXOS 76
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 83
51 CONCLUSIONES 83
52 RECOMENDACIONES 84
REFERENCIAS 85
10
ABREVIACIONES
PST PHASE SHIFT TRANSFORMER
IN ENTRADA DE ALIMENTACION
VSD VARIABLE SPEED DRIVER (VARIADOR DE VELOCIDAD)
12P DOCE PULSOS
ESP ELECTRICAL SUMERSIBLE PUMPING
Dd0 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO DELTA SECUNDARIO EN FASE
Dyn1 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO ESTRELLA SECUNDARIO
CON DESFASE 30deg
SDT STEP DOWN TRANSFORMER
kVA POTENCIA NOMINAL DEL TRANSFORMADOR
THDv TOTAL HARMONIC DISTORSION VOLTAGE
THDi TOTAL HARMONIC DISTORSION CURRENT
IEEE 519 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power Systems
11
GENERALIDADES
INTRODUCCIOacuteN
En la actualidad el desarrollo de la sociedad estaacute ligado a la demanda de energiacutea
La industria el comercio y las distintas actividades econoacutemicas y cotidianas de las
personas dependen en gran parte del consumo de energiacutea eleacutectrica Por esto la
generacioacuten transmisioacuten y distribucioacuten de dicha energiacutea es de enorme importancia
para la sociedad actual
A partir del siglo XVIII la electricidad hace parte fundamental del desarrollo de la
humanidad en el aacutembito econoacutemico-industrial hacieacutendose indispensable una
estrategia para el transporte de esta maacutes allaacute de los lugares donde se podiacutea generar
en la cual las perdidas producto del efecto Joule fueran miacutenimas Lo anterior dio
origen a la construccioacuten del transformador como dispositivo que permite convertir
energiacutea alterna a diversos niveles de tensioacuten es decir puede aumentar o disminuir
un nivel de voltaje
Es gracias a este avance tecnoloacutegico que se ha facilitado el desarrollo de los
dispositivos industriales procesos y automatizacioacuten que en gran medida permite el
desarrollo del sector econoacutemico
A medida que avanza el tiempo se incrementa el consumo de energiacutea La industria
demanda mayor electricidad y la poblacioacuten aumenta Por lo tanto su consumo
tambieacuten lo hace Adicionalmente surgen nuevas tecnologiacuteas y a su vez nuevos
retos para los agentes del mercado que cada diacutea se enfrentan a numerosos
problemas inherentes al progreso y evolucioacuten Tal es el caso de las cargas no
lineales que generan corrientes no sinusoidales que ademaacutes de la componente
fundamental posee otras que son muacuteltiplos enteros de esta y se denominan
armoacutenicos
12
Es sabido que los armoacutenicos perjudican los niveles de cargabilidad de los
dispositivos y liacuteneas de los sistemas de distribucioacuten ademaacutes pueden distorsionar
los controladores en los sistemas electroacutenicos Tambieacuten eacutestos armoacutenicos pueden
causar errores adicionales en los discos de induccioacuten de los contadores asiacute mismo
producen problemas de operacioacuten en los sistemas de proteccioacuten
Particularmente en el caso de los transformadores desfasadores las afectaciones
por los armoacutenicos tienen gran relevancia Dada la Distorsioacuten el transformador en
su interior incrementa el valor de sus peacuterdidas de magnetizacioacuten y de peacuterdidas
paraacutesitas deteriorando de manera raacutepida la vida uacutetil del dispositivo Es por esto que
se requiere un anaacutelisis fundamentado en lo experimental y que permita lanzar
hipoacutetesis acerca de las necesidades de estudio de armoacutenicos en transformadores
Dado lo anterior y a partir de este proyecto se presenta una implementacioacuten de
protocolo de prueba de rutina para medir la distorsioacuten armoacutenica de transformadores
en presencia de cargas armoacutenicas Lo anterior se efectuacutea fundamentado en los
liacutemites establecidos en la norma IEEE 519 de 1992 y guiados por la NTC 1358 para
garantizar el cumplimiento de los estaacutendares exigidos por las normas vigentes que
promulgan el desarrollo de un mejor producto con mayor confiabilidad en los disentildeos
permitiendo de esta manera optimizar los recursos alcanzando el miacutenimo de
peacuterdidas posibles
13
ORGANIZACIOacuteN DEL DOCUMENTO
Este documento consta de 5 capiacutetulos presentados de la siguiente forma
Capiacutetulo 1 Introduccioacuten y resumen del objeto de estudio a lo largo del
Proyecto Explicacioacuten del problema y motivacioacuten de la realizacioacuten del
estudio presentacioacuten del objetivo general y especiacuteficos
Capiacutetulo 2 Presentacioacuten de conceptos y bases teoacutericas necesarias para la
comprensioacuten e implementacioacuten del protocolo de prueba
Capiacutetulo 3 Proceso de implementacioacuten de protocolo de prueba
Capiacutetulo 4 Resultados de las pruebas realizadas con su respectivo anaacutelisis
comparativo
Capiacutetulo 5 Conclusiones y recomendaciones
14
CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION
11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores
12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores
13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de
THD en transformadores con cargas armoacutenicas
14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten
armoacutenica en transformadores
15 MATERIAS DE INVESTIGACION
-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores
desfasadores
-Teoriacutea de armoacutenicos
-Disentildeo real del sistema ESP
-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en
transformadores
16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental
17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores
18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira
19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS
empresa responsable de la praacutectica conducente
15
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten
sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las
cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las
peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento
del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente
se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las
implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los
valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean
descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de
energiacutea como un indicador de gestioacuten
El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de
pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para
recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten
armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a
sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa
fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su
comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA
iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con
condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical
submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de
1992
16
112 OBJETIVOS
1121 OBJETIVO GENERAL
Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema
TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12
pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten
de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto
nacionales como internacionales para el efecto
- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una
relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador
eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el
momento
- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes
activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad
motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las
condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por
transformadores
- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn
y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador
17
resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en
presencia de cargas armoacutenicas
- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute
mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea
113 JUSTIFICACIOacuteN
El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas
que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las
expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere
una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las
variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al
sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia
hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los
usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes
aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando
Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba
de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA
simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria
del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales
del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de
forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como
Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de
simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador
18
tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse
adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el
impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo
inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta
forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos
Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute
con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca
y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el
cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto
de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas
Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina
para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria
de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992
y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades
de la industria
19
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA
En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia
los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar
la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica
referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los
transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los
paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba
21 ANTECEDENTES
Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica
intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego
de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan
armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la
existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores
del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]
Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los
armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519
publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten
armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse
que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la
tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce
la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene
distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]
20
22 CONCEPTOS GENERALES
221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la
sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y
peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el
calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta
Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la
fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden
impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba
de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que
las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda
222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no
compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de
estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los
equipos
223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento
de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores
consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no
se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda
sinusoidal proporcional a sus variaciones
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
8
221 Armoacutenico 20
222 Armoacutenico Caracteriacutestico 20
223 Carga Lineal 20
224 Carga no lineal 21
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total 22
226 Espectro en frecuencia 23
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES) 24
24 Disentildeo de transformadores 26
241 Factores 26
242 Aislamientos 27
243 Tolerancias 28
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT 28
25 Transformador 29
26 BOBINAS 31
27 Ductos de refrigeracioacuten 33
271 Cartoacuten corrugado 33
272 Duck STrip 33
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES 35
29 VSD 36
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES 38
211 MARCO LEGAL 44
9
2111 Normatividad 44
CAPITULO III METODOLOGIA 49
31 Tipo de Investigacioacuten 49
32 Meacutetodo de Investigacioacuten 49
33 Poblacioacuten y Muestra 50
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos 50
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos 51
351 Anaacutelisis investigativo 51
352 Anaacutelisis praacutectico 51
CAPITULO IV PROPUESTA 52
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1 54
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR) 56
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR 58
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS 63
ANALISIS DE RESULTADOS 75
ANEXOS 76
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 83
51 CONCLUSIONES 83
52 RECOMENDACIONES 84
REFERENCIAS 85
10
ABREVIACIONES
PST PHASE SHIFT TRANSFORMER
IN ENTRADA DE ALIMENTACION
VSD VARIABLE SPEED DRIVER (VARIADOR DE VELOCIDAD)
12P DOCE PULSOS
ESP ELECTRICAL SUMERSIBLE PUMPING
Dd0 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO DELTA SECUNDARIO EN FASE
Dyn1 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO ESTRELLA SECUNDARIO
CON DESFASE 30deg
SDT STEP DOWN TRANSFORMER
kVA POTENCIA NOMINAL DEL TRANSFORMADOR
THDv TOTAL HARMONIC DISTORSION VOLTAGE
THDi TOTAL HARMONIC DISTORSION CURRENT
IEEE 519 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power Systems
11
GENERALIDADES
INTRODUCCIOacuteN
En la actualidad el desarrollo de la sociedad estaacute ligado a la demanda de energiacutea
La industria el comercio y las distintas actividades econoacutemicas y cotidianas de las
personas dependen en gran parte del consumo de energiacutea eleacutectrica Por esto la
generacioacuten transmisioacuten y distribucioacuten de dicha energiacutea es de enorme importancia
para la sociedad actual
A partir del siglo XVIII la electricidad hace parte fundamental del desarrollo de la
humanidad en el aacutembito econoacutemico-industrial hacieacutendose indispensable una
estrategia para el transporte de esta maacutes allaacute de los lugares donde se podiacutea generar
en la cual las perdidas producto del efecto Joule fueran miacutenimas Lo anterior dio
origen a la construccioacuten del transformador como dispositivo que permite convertir
energiacutea alterna a diversos niveles de tensioacuten es decir puede aumentar o disminuir
un nivel de voltaje
Es gracias a este avance tecnoloacutegico que se ha facilitado el desarrollo de los
dispositivos industriales procesos y automatizacioacuten que en gran medida permite el
desarrollo del sector econoacutemico
A medida que avanza el tiempo se incrementa el consumo de energiacutea La industria
demanda mayor electricidad y la poblacioacuten aumenta Por lo tanto su consumo
tambieacuten lo hace Adicionalmente surgen nuevas tecnologiacuteas y a su vez nuevos
retos para los agentes del mercado que cada diacutea se enfrentan a numerosos
problemas inherentes al progreso y evolucioacuten Tal es el caso de las cargas no
lineales que generan corrientes no sinusoidales que ademaacutes de la componente
fundamental posee otras que son muacuteltiplos enteros de esta y se denominan
armoacutenicos
12
Es sabido que los armoacutenicos perjudican los niveles de cargabilidad de los
dispositivos y liacuteneas de los sistemas de distribucioacuten ademaacutes pueden distorsionar
los controladores en los sistemas electroacutenicos Tambieacuten eacutestos armoacutenicos pueden
causar errores adicionales en los discos de induccioacuten de los contadores asiacute mismo
producen problemas de operacioacuten en los sistemas de proteccioacuten
Particularmente en el caso de los transformadores desfasadores las afectaciones
por los armoacutenicos tienen gran relevancia Dada la Distorsioacuten el transformador en
su interior incrementa el valor de sus peacuterdidas de magnetizacioacuten y de peacuterdidas
paraacutesitas deteriorando de manera raacutepida la vida uacutetil del dispositivo Es por esto que
se requiere un anaacutelisis fundamentado en lo experimental y que permita lanzar
hipoacutetesis acerca de las necesidades de estudio de armoacutenicos en transformadores
Dado lo anterior y a partir de este proyecto se presenta una implementacioacuten de
protocolo de prueba de rutina para medir la distorsioacuten armoacutenica de transformadores
en presencia de cargas armoacutenicas Lo anterior se efectuacutea fundamentado en los
liacutemites establecidos en la norma IEEE 519 de 1992 y guiados por la NTC 1358 para
garantizar el cumplimiento de los estaacutendares exigidos por las normas vigentes que
promulgan el desarrollo de un mejor producto con mayor confiabilidad en los disentildeos
permitiendo de esta manera optimizar los recursos alcanzando el miacutenimo de
peacuterdidas posibles
13
ORGANIZACIOacuteN DEL DOCUMENTO
Este documento consta de 5 capiacutetulos presentados de la siguiente forma
Capiacutetulo 1 Introduccioacuten y resumen del objeto de estudio a lo largo del
Proyecto Explicacioacuten del problema y motivacioacuten de la realizacioacuten del
estudio presentacioacuten del objetivo general y especiacuteficos
Capiacutetulo 2 Presentacioacuten de conceptos y bases teoacutericas necesarias para la
comprensioacuten e implementacioacuten del protocolo de prueba
Capiacutetulo 3 Proceso de implementacioacuten de protocolo de prueba
Capiacutetulo 4 Resultados de las pruebas realizadas con su respectivo anaacutelisis
comparativo
Capiacutetulo 5 Conclusiones y recomendaciones
14
CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION
11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores
12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores
13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de
THD en transformadores con cargas armoacutenicas
14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten
armoacutenica en transformadores
15 MATERIAS DE INVESTIGACION
-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores
desfasadores
-Teoriacutea de armoacutenicos
-Disentildeo real del sistema ESP
-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en
transformadores
16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental
17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores
18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira
19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS
empresa responsable de la praacutectica conducente
15
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten
sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las
cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las
peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento
del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente
se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las
implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los
valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean
descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de
energiacutea como un indicador de gestioacuten
El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de
pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para
recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten
armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a
sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa
fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su
comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA
iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con
condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical
submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de
1992
16
112 OBJETIVOS
1121 OBJETIVO GENERAL
Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema
TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12
pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten
de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto
nacionales como internacionales para el efecto
- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una
relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador
eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el
momento
- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes
activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad
motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las
condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por
transformadores
- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn
y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador
17
resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en
presencia de cargas armoacutenicas
- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute
mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea
113 JUSTIFICACIOacuteN
El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas
que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las
expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere
una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las
variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al
sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia
hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los
usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes
aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando
Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba
de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA
simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria
del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales
del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de
forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como
Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de
simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador
18
tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse
adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el
impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo
inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta
forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos
Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute
con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca
y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el
cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto
de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas
Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina
para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria
de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992
y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades
de la industria
19
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA
En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia
los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar
la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica
referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los
transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los
paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba
21 ANTECEDENTES
Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica
intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego
de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan
armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la
existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores
del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]
Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los
armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519
publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten
armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse
que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la
tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce
la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene
distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]
20
22 CONCEPTOS GENERALES
221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la
sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y
peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el
calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta
Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la
fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden
impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba
de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que
las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda
222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no
compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de
estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los
equipos
223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento
de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores
consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no
se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda
sinusoidal proporcional a sus variaciones
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
9
2111 Normatividad 44
CAPITULO III METODOLOGIA 49
31 Tipo de Investigacioacuten 49
32 Meacutetodo de Investigacioacuten 49
33 Poblacioacuten y Muestra 50
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos 50
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos 51
351 Anaacutelisis investigativo 51
352 Anaacutelisis praacutectico 51
CAPITULO IV PROPUESTA 52
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1 54
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR) 56
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR 58
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS 63
ANALISIS DE RESULTADOS 75
ANEXOS 76
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 83
51 CONCLUSIONES 83
52 RECOMENDACIONES 84
REFERENCIAS 85
10
ABREVIACIONES
PST PHASE SHIFT TRANSFORMER
IN ENTRADA DE ALIMENTACION
VSD VARIABLE SPEED DRIVER (VARIADOR DE VELOCIDAD)
12P DOCE PULSOS
ESP ELECTRICAL SUMERSIBLE PUMPING
Dd0 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO DELTA SECUNDARIO EN FASE
Dyn1 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO ESTRELLA SECUNDARIO
CON DESFASE 30deg
SDT STEP DOWN TRANSFORMER
kVA POTENCIA NOMINAL DEL TRANSFORMADOR
THDv TOTAL HARMONIC DISTORSION VOLTAGE
THDi TOTAL HARMONIC DISTORSION CURRENT
IEEE 519 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power Systems
11
GENERALIDADES
INTRODUCCIOacuteN
En la actualidad el desarrollo de la sociedad estaacute ligado a la demanda de energiacutea
La industria el comercio y las distintas actividades econoacutemicas y cotidianas de las
personas dependen en gran parte del consumo de energiacutea eleacutectrica Por esto la
generacioacuten transmisioacuten y distribucioacuten de dicha energiacutea es de enorme importancia
para la sociedad actual
A partir del siglo XVIII la electricidad hace parte fundamental del desarrollo de la
humanidad en el aacutembito econoacutemico-industrial hacieacutendose indispensable una
estrategia para el transporte de esta maacutes allaacute de los lugares donde se podiacutea generar
en la cual las perdidas producto del efecto Joule fueran miacutenimas Lo anterior dio
origen a la construccioacuten del transformador como dispositivo que permite convertir
energiacutea alterna a diversos niveles de tensioacuten es decir puede aumentar o disminuir
un nivel de voltaje
Es gracias a este avance tecnoloacutegico que se ha facilitado el desarrollo de los
dispositivos industriales procesos y automatizacioacuten que en gran medida permite el
desarrollo del sector econoacutemico
A medida que avanza el tiempo se incrementa el consumo de energiacutea La industria
demanda mayor electricidad y la poblacioacuten aumenta Por lo tanto su consumo
tambieacuten lo hace Adicionalmente surgen nuevas tecnologiacuteas y a su vez nuevos
retos para los agentes del mercado que cada diacutea se enfrentan a numerosos
problemas inherentes al progreso y evolucioacuten Tal es el caso de las cargas no
lineales que generan corrientes no sinusoidales que ademaacutes de la componente
fundamental posee otras que son muacuteltiplos enteros de esta y se denominan
armoacutenicos
12
Es sabido que los armoacutenicos perjudican los niveles de cargabilidad de los
dispositivos y liacuteneas de los sistemas de distribucioacuten ademaacutes pueden distorsionar
los controladores en los sistemas electroacutenicos Tambieacuten eacutestos armoacutenicos pueden
causar errores adicionales en los discos de induccioacuten de los contadores asiacute mismo
producen problemas de operacioacuten en los sistemas de proteccioacuten
Particularmente en el caso de los transformadores desfasadores las afectaciones
por los armoacutenicos tienen gran relevancia Dada la Distorsioacuten el transformador en
su interior incrementa el valor de sus peacuterdidas de magnetizacioacuten y de peacuterdidas
paraacutesitas deteriorando de manera raacutepida la vida uacutetil del dispositivo Es por esto que
se requiere un anaacutelisis fundamentado en lo experimental y que permita lanzar
hipoacutetesis acerca de las necesidades de estudio de armoacutenicos en transformadores
Dado lo anterior y a partir de este proyecto se presenta una implementacioacuten de
protocolo de prueba de rutina para medir la distorsioacuten armoacutenica de transformadores
en presencia de cargas armoacutenicas Lo anterior se efectuacutea fundamentado en los
liacutemites establecidos en la norma IEEE 519 de 1992 y guiados por la NTC 1358 para
garantizar el cumplimiento de los estaacutendares exigidos por las normas vigentes que
promulgan el desarrollo de un mejor producto con mayor confiabilidad en los disentildeos
permitiendo de esta manera optimizar los recursos alcanzando el miacutenimo de
peacuterdidas posibles
13
ORGANIZACIOacuteN DEL DOCUMENTO
Este documento consta de 5 capiacutetulos presentados de la siguiente forma
Capiacutetulo 1 Introduccioacuten y resumen del objeto de estudio a lo largo del
Proyecto Explicacioacuten del problema y motivacioacuten de la realizacioacuten del
estudio presentacioacuten del objetivo general y especiacuteficos
Capiacutetulo 2 Presentacioacuten de conceptos y bases teoacutericas necesarias para la
comprensioacuten e implementacioacuten del protocolo de prueba
Capiacutetulo 3 Proceso de implementacioacuten de protocolo de prueba
Capiacutetulo 4 Resultados de las pruebas realizadas con su respectivo anaacutelisis
comparativo
Capiacutetulo 5 Conclusiones y recomendaciones
14
CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION
11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores
12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores
13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de
THD en transformadores con cargas armoacutenicas
14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten
armoacutenica en transformadores
15 MATERIAS DE INVESTIGACION
-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores
desfasadores
-Teoriacutea de armoacutenicos
-Disentildeo real del sistema ESP
-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en
transformadores
16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental
17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores
18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira
19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS
empresa responsable de la praacutectica conducente
15
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten
sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las
cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las
peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento
del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente
se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las
implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los
valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean
descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de
energiacutea como un indicador de gestioacuten
El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de
pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para
recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten
armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a
sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa
fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su
comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA
iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con
condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical
submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de
1992
16
112 OBJETIVOS
1121 OBJETIVO GENERAL
Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema
TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12
pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten
de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto
nacionales como internacionales para el efecto
- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una
relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador
eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el
momento
- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes
activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad
motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las
condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por
transformadores
- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn
y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador
17
resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en
presencia de cargas armoacutenicas
- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute
mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea
113 JUSTIFICACIOacuteN
El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas
que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las
expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere
una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las
variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al
sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia
hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los
usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes
aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando
Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba
de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA
simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria
del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales
del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de
forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como
Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de
simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador
18
tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse
adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el
impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo
inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta
forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos
Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute
con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca
y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el
cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto
de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas
Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina
para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria
de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992
y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades
de la industria
19
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA
En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia
los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar
la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica
referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los
transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los
paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba
21 ANTECEDENTES
Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica
intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego
de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan
armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la
existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores
del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]
Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los
armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519
publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten
armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse
que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la
tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce
la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene
distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]
20
22 CONCEPTOS GENERALES
221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la
sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y
peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el
calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta
Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la
fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden
impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba
de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que
las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda
222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no
compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de
estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los
equipos
223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento
de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores
consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no
se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda
sinusoidal proporcional a sus variaciones
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
10
ABREVIACIONES
PST PHASE SHIFT TRANSFORMER
IN ENTRADA DE ALIMENTACION
VSD VARIABLE SPEED DRIVER (VARIADOR DE VELOCIDAD)
12P DOCE PULSOS
ESP ELECTRICAL SUMERSIBLE PUMPING
Dd0 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO DELTA SECUNDARIO EN FASE
Dyn1 GRUPO DE CONEXIOacuteN DELTA PRIMARIO ESTRELLA SECUNDARIO
CON DESFASE 30deg
SDT STEP DOWN TRANSFORMER
kVA POTENCIA NOMINAL DEL TRANSFORMADOR
THDv TOTAL HARMONIC DISTORSION VOLTAGE
THDi TOTAL HARMONIC DISTORSION CURRENT
IEEE 519 Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power Systems
11
GENERALIDADES
INTRODUCCIOacuteN
En la actualidad el desarrollo de la sociedad estaacute ligado a la demanda de energiacutea
La industria el comercio y las distintas actividades econoacutemicas y cotidianas de las
personas dependen en gran parte del consumo de energiacutea eleacutectrica Por esto la
generacioacuten transmisioacuten y distribucioacuten de dicha energiacutea es de enorme importancia
para la sociedad actual
A partir del siglo XVIII la electricidad hace parte fundamental del desarrollo de la
humanidad en el aacutembito econoacutemico-industrial hacieacutendose indispensable una
estrategia para el transporte de esta maacutes allaacute de los lugares donde se podiacutea generar
en la cual las perdidas producto del efecto Joule fueran miacutenimas Lo anterior dio
origen a la construccioacuten del transformador como dispositivo que permite convertir
energiacutea alterna a diversos niveles de tensioacuten es decir puede aumentar o disminuir
un nivel de voltaje
Es gracias a este avance tecnoloacutegico que se ha facilitado el desarrollo de los
dispositivos industriales procesos y automatizacioacuten que en gran medida permite el
desarrollo del sector econoacutemico
A medida que avanza el tiempo se incrementa el consumo de energiacutea La industria
demanda mayor electricidad y la poblacioacuten aumenta Por lo tanto su consumo
tambieacuten lo hace Adicionalmente surgen nuevas tecnologiacuteas y a su vez nuevos
retos para los agentes del mercado que cada diacutea se enfrentan a numerosos
problemas inherentes al progreso y evolucioacuten Tal es el caso de las cargas no
lineales que generan corrientes no sinusoidales que ademaacutes de la componente
fundamental posee otras que son muacuteltiplos enteros de esta y se denominan
armoacutenicos
12
Es sabido que los armoacutenicos perjudican los niveles de cargabilidad de los
dispositivos y liacuteneas de los sistemas de distribucioacuten ademaacutes pueden distorsionar
los controladores en los sistemas electroacutenicos Tambieacuten eacutestos armoacutenicos pueden
causar errores adicionales en los discos de induccioacuten de los contadores asiacute mismo
producen problemas de operacioacuten en los sistemas de proteccioacuten
Particularmente en el caso de los transformadores desfasadores las afectaciones
por los armoacutenicos tienen gran relevancia Dada la Distorsioacuten el transformador en
su interior incrementa el valor de sus peacuterdidas de magnetizacioacuten y de peacuterdidas
paraacutesitas deteriorando de manera raacutepida la vida uacutetil del dispositivo Es por esto que
se requiere un anaacutelisis fundamentado en lo experimental y que permita lanzar
hipoacutetesis acerca de las necesidades de estudio de armoacutenicos en transformadores
Dado lo anterior y a partir de este proyecto se presenta una implementacioacuten de
protocolo de prueba de rutina para medir la distorsioacuten armoacutenica de transformadores
en presencia de cargas armoacutenicas Lo anterior se efectuacutea fundamentado en los
liacutemites establecidos en la norma IEEE 519 de 1992 y guiados por la NTC 1358 para
garantizar el cumplimiento de los estaacutendares exigidos por las normas vigentes que
promulgan el desarrollo de un mejor producto con mayor confiabilidad en los disentildeos
permitiendo de esta manera optimizar los recursos alcanzando el miacutenimo de
peacuterdidas posibles
13
ORGANIZACIOacuteN DEL DOCUMENTO
Este documento consta de 5 capiacutetulos presentados de la siguiente forma
Capiacutetulo 1 Introduccioacuten y resumen del objeto de estudio a lo largo del
Proyecto Explicacioacuten del problema y motivacioacuten de la realizacioacuten del
estudio presentacioacuten del objetivo general y especiacuteficos
Capiacutetulo 2 Presentacioacuten de conceptos y bases teoacutericas necesarias para la
comprensioacuten e implementacioacuten del protocolo de prueba
Capiacutetulo 3 Proceso de implementacioacuten de protocolo de prueba
Capiacutetulo 4 Resultados de las pruebas realizadas con su respectivo anaacutelisis
comparativo
Capiacutetulo 5 Conclusiones y recomendaciones
14
CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION
11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores
12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores
13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de
THD en transformadores con cargas armoacutenicas
14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten
armoacutenica en transformadores
15 MATERIAS DE INVESTIGACION
-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores
desfasadores
-Teoriacutea de armoacutenicos
-Disentildeo real del sistema ESP
-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en
transformadores
16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental
17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores
18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira
19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS
empresa responsable de la praacutectica conducente
15
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten
sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las
cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las
peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento
del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente
se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las
implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los
valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean
descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de
energiacutea como un indicador de gestioacuten
El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de
pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para
recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten
armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a
sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa
fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su
comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA
iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con
condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical
submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de
1992
16
112 OBJETIVOS
1121 OBJETIVO GENERAL
Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema
TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12
pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten
de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto
nacionales como internacionales para el efecto
- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una
relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador
eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el
momento
- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes
activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad
motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las
condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por
transformadores
- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn
y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador
17
resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en
presencia de cargas armoacutenicas
- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute
mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea
113 JUSTIFICACIOacuteN
El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas
que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las
expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere
una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las
variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al
sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia
hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los
usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes
aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando
Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba
de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA
simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria
del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales
del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de
forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como
Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de
simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador
18
tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse
adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el
impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo
inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta
forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos
Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute
con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca
y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el
cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto
de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas
Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina
para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria
de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992
y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades
de la industria
19
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA
En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia
los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar
la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica
referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los
transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los
paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba
21 ANTECEDENTES
Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica
intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego
de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan
armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la
existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores
del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]
Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los
armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519
publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten
armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse
que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la
tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce
la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene
distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]
20
22 CONCEPTOS GENERALES
221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la
sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y
peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el
calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta
Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la
fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden
impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba
de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que
las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda
222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no
compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de
estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los
equipos
223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento
de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores
consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no
se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda
sinusoidal proporcional a sus variaciones
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
11
GENERALIDADES
INTRODUCCIOacuteN
En la actualidad el desarrollo de la sociedad estaacute ligado a la demanda de energiacutea
La industria el comercio y las distintas actividades econoacutemicas y cotidianas de las
personas dependen en gran parte del consumo de energiacutea eleacutectrica Por esto la
generacioacuten transmisioacuten y distribucioacuten de dicha energiacutea es de enorme importancia
para la sociedad actual
A partir del siglo XVIII la electricidad hace parte fundamental del desarrollo de la
humanidad en el aacutembito econoacutemico-industrial hacieacutendose indispensable una
estrategia para el transporte de esta maacutes allaacute de los lugares donde se podiacutea generar
en la cual las perdidas producto del efecto Joule fueran miacutenimas Lo anterior dio
origen a la construccioacuten del transformador como dispositivo que permite convertir
energiacutea alterna a diversos niveles de tensioacuten es decir puede aumentar o disminuir
un nivel de voltaje
Es gracias a este avance tecnoloacutegico que se ha facilitado el desarrollo de los
dispositivos industriales procesos y automatizacioacuten que en gran medida permite el
desarrollo del sector econoacutemico
A medida que avanza el tiempo se incrementa el consumo de energiacutea La industria
demanda mayor electricidad y la poblacioacuten aumenta Por lo tanto su consumo
tambieacuten lo hace Adicionalmente surgen nuevas tecnologiacuteas y a su vez nuevos
retos para los agentes del mercado que cada diacutea se enfrentan a numerosos
problemas inherentes al progreso y evolucioacuten Tal es el caso de las cargas no
lineales que generan corrientes no sinusoidales que ademaacutes de la componente
fundamental posee otras que son muacuteltiplos enteros de esta y se denominan
armoacutenicos
12
Es sabido que los armoacutenicos perjudican los niveles de cargabilidad de los
dispositivos y liacuteneas de los sistemas de distribucioacuten ademaacutes pueden distorsionar
los controladores en los sistemas electroacutenicos Tambieacuten eacutestos armoacutenicos pueden
causar errores adicionales en los discos de induccioacuten de los contadores asiacute mismo
producen problemas de operacioacuten en los sistemas de proteccioacuten
Particularmente en el caso de los transformadores desfasadores las afectaciones
por los armoacutenicos tienen gran relevancia Dada la Distorsioacuten el transformador en
su interior incrementa el valor de sus peacuterdidas de magnetizacioacuten y de peacuterdidas
paraacutesitas deteriorando de manera raacutepida la vida uacutetil del dispositivo Es por esto que
se requiere un anaacutelisis fundamentado en lo experimental y que permita lanzar
hipoacutetesis acerca de las necesidades de estudio de armoacutenicos en transformadores
Dado lo anterior y a partir de este proyecto se presenta una implementacioacuten de
protocolo de prueba de rutina para medir la distorsioacuten armoacutenica de transformadores
en presencia de cargas armoacutenicas Lo anterior se efectuacutea fundamentado en los
liacutemites establecidos en la norma IEEE 519 de 1992 y guiados por la NTC 1358 para
garantizar el cumplimiento de los estaacutendares exigidos por las normas vigentes que
promulgan el desarrollo de un mejor producto con mayor confiabilidad en los disentildeos
permitiendo de esta manera optimizar los recursos alcanzando el miacutenimo de
peacuterdidas posibles
13
ORGANIZACIOacuteN DEL DOCUMENTO
Este documento consta de 5 capiacutetulos presentados de la siguiente forma
Capiacutetulo 1 Introduccioacuten y resumen del objeto de estudio a lo largo del
Proyecto Explicacioacuten del problema y motivacioacuten de la realizacioacuten del
estudio presentacioacuten del objetivo general y especiacuteficos
Capiacutetulo 2 Presentacioacuten de conceptos y bases teoacutericas necesarias para la
comprensioacuten e implementacioacuten del protocolo de prueba
Capiacutetulo 3 Proceso de implementacioacuten de protocolo de prueba
Capiacutetulo 4 Resultados de las pruebas realizadas con su respectivo anaacutelisis
comparativo
Capiacutetulo 5 Conclusiones y recomendaciones
14
CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION
11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores
12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores
13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de
THD en transformadores con cargas armoacutenicas
14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten
armoacutenica en transformadores
15 MATERIAS DE INVESTIGACION
-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores
desfasadores
-Teoriacutea de armoacutenicos
-Disentildeo real del sistema ESP
-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en
transformadores
16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental
17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores
18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira
19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS
empresa responsable de la praacutectica conducente
15
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten
sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las
cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las
peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento
del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente
se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las
implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los
valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean
descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de
energiacutea como un indicador de gestioacuten
El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de
pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para
recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten
armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a
sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa
fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su
comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA
iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con
condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical
submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de
1992
16
112 OBJETIVOS
1121 OBJETIVO GENERAL
Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema
TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12
pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten
de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto
nacionales como internacionales para el efecto
- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una
relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador
eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el
momento
- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes
activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad
motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las
condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por
transformadores
- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn
y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador
17
resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en
presencia de cargas armoacutenicas
- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute
mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea
113 JUSTIFICACIOacuteN
El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas
que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las
expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere
una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las
variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al
sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia
hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los
usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes
aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando
Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba
de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA
simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria
del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales
del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de
forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como
Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de
simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador
18
tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse
adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el
impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo
inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta
forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos
Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute
con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca
y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el
cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto
de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas
Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina
para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria
de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992
y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades
de la industria
19
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA
En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia
los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar
la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica
referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los
transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los
paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba
21 ANTECEDENTES
Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica
intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego
de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan
armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la
existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores
del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]
Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los
armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519
publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten
armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse
que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la
tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce
la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene
distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]
20
22 CONCEPTOS GENERALES
221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la
sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y
peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el
calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta
Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la
fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden
impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba
de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que
las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda
222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no
compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de
estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los
equipos
223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento
de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores
consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no
se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda
sinusoidal proporcional a sus variaciones
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
12
Es sabido que los armoacutenicos perjudican los niveles de cargabilidad de los
dispositivos y liacuteneas de los sistemas de distribucioacuten ademaacutes pueden distorsionar
los controladores en los sistemas electroacutenicos Tambieacuten eacutestos armoacutenicos pueden
causar errores adicionales en los discos de induccioacuten de los contadores asiacute mismo
producen problemas de operacioacuten en los sistemas de proteccioacuten
Particularmente en el caso de los transformadores desfasadores las afectaciones
por los armoacutenicos tienen gran relevancia Dada la Distorsioacuten el transformador en
su interior incrementa el valor de sus peacuterdidas de magnetizacioacuten y de peacuterdidas
paraacutesitas deteriorando de manera raacutepida la vida uacutetil del dispositivo Es por esto que
se requiere un anaacutelisis fundamentado en lo experimental y que permita lanzar
hipoacutetesis acerca de las necesidades de estudio de armoacutenicos en transformadores
Dado lo anterior y a partir de este proyecto se presenta una implementacioacuten de
protocolo de prueba de rutina para medir la distorsioacuten armoacutenica de transformadores
en presencia de cargas armoacutenicas Lo anterior se efectuacutea fundamentado en los
liacutemites establecidos en la norma IEEE 519 de 1992 y guiados por la NTC 1358 para
garantizar el cumplimiento de los estaacutendares exigidos por las normas vigentes que
promulgan el desarrollo de un mejor producto con mayor confiabilidad en los disentildeos
permitiendo de esta manera optimizar los recursos alcanzando el miacutenimo de
peacuterdidas posibles
13
ORGANIZACIOacuteN DEL DOCUMENTO
Este documento consta de 5 capiacutetulos presentados de la siguiente forma
Capiacutetulo 1 Introduccioacuten y resumen del objeto de estudio a lo largo del
Proyecto Explicacioacuten del problema y motivacioacuten de la realizacioacuten del
estudio presentacioacuten del objetivo general y especiacuteficos
Capiacutetulo 2 Presentacioacuten de conceptos y bases teoacutericas necesarias para la
comprensioacuten e implementacioacuten del protocolo de prueba
Capiacutetulo 3 Proceso de implementacioacuten de protocolo de prueba
Capiacutetulo 4 Resultados de las pruebas realizadas con su respectivo anaacutelisis
comparativo
Capiacutetulo 5 Conclusiones y recomendaciones
14
CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION
11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores
12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores
13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de
THD en transformadores con cargas armoacutenicas
14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten
armoacutenica en transformadores
15 MATERIAS DE INVESTIGACION
-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores
desfasadores
-Teoriacutea de armoacutenicos
-Disentildeo real del sistema ESP
-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en
transformadores
16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental
17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores
18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira
19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS
empresa responsable de la praacutectica conducente
15
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten
sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las
cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las
peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento
del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente
se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las
implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los
valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean
descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de
energiacutea como un indicador de gestioacuten
El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de
pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para
recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten
armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a
sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa
fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su
comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA
iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con
condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical
submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de
1992
16
112 OBJETIVOS
1121 OBJETIVO GENERAL
Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema
TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12
pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten
de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto
nacionales como internacionales para el efecto
- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una
relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador
eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el
momento
- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes
activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad
motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las
condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por
transformadores
- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn
y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador
17
resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en
presencia de cargas armoacutenicas
- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute
mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea
113 JUSTIFICACIOacuteN
El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas
que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las
expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere
una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las
variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al
sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia
hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los
usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes
aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando
Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba
de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA
simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria
del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales
del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de
forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como
Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de
simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador
18
tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse
adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el
impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo
inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta
forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos
Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute
con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca
y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el
cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto
de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas
Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina
para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria
de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992
y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades
de la industria
19
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA
En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia
los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar
la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica
referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los
transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los
paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba
21 ANTECEDENTES
Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica
intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego
de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan
armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la
existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores
del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]
Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los
armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519
publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten
armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse
que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la
tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce
la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene
distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]
20
22 CONCEPTOS GENERALES
221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la
sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y
peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el
calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta
Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la
fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden
impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba
de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que
las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda
222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no
compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de
estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los
equipos
223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento
de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores
consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no
se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda
sinusoidal proporcional a sus variaciones
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
13
ORGANIZACIOacuteN DEL DOCUMENTO
Este documento consta de 5 capiacutetulos presentados de la siguiente forma
Capiacutetulo 1 Introduccioacuten y resumen del objeto de estudio a lo largo del
Proyecto Explicacioacuten del problema y motivacioacuten de la realizacioacuten del
estudio presentacioacuten del objetivo general y especiacuteficos
Capiacutetulo 2 Presentacioacuten de conceptos y bases teoacutericas necesarias para la
comprensioacuten e implementacioacuten del protocolo de prueba
Capiacutetulo 3 Proceso de implementacioacuten de protocolo de prueba
Capiacutetulo 4 Resultados de las pruebas realizadas con su respectivo anaacutelisis
comparativo
Capiacutetulo 5 Conclusiones y recomendaciones
14
CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION
11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores
12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores
13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de
THD en transformadores con cargas armoacutenicas
14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten
armoacutenica en transformadores
15 MATERIAS DE INVESTIGACION
-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores
desfasadores
-Teoriacutea de armoacutenicos
-Disentildeo real del sistema ESP
-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en
transformadores
16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental
17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores
18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira
19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS
empresa responsable de la praacutectica conducente
15
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten
sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las
cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las
peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento
del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente
se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las
implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los
valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean
descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de
energiacutea como un indicador de gestioacuten
El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de
pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para
recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten
armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a
sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa
fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su
comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA
iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con
condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical
submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de
1992
16
112 OBJETIVOS
1121 OBJETIVO GENERAL
Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema
TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12
pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten
de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto
nacionales como internacionales para el efecto
- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una
relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador
eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el
momento
- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes
activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad
motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las
condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por
transformadores
- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn
y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador
17
resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en
presencia de cargas armoacutenicas
- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute
mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea
113 JUSTIFICACIOacuteN
El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas
que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las
expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere
una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las
variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al
sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia
hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los
usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes
aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando
Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba
de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA
simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria
del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales
del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de
forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como
Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de
simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador
18
tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse
adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el
impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo
inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta
forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos
Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute
con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca
y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el
cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto
de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas
Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina
para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria
de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992
y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades
de la industria
19
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA
En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia
los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar
la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica
referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los
transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los
paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba
21 ANTECEDENTES
Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica
intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego
de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan
armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la
existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores
del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]
Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los
armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519
publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten
armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse
que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la
tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce
la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene
distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]
20
22 CONCEPTOS GENERALES
221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la
sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y
peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el
calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta
Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la
fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden
impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba
de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que
las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda
222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no
compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de
estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los
equipos
223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento
de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores
consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no
se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda
sinusoidal proporcional a sus variaciones
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
14
CAPITULO I MARCO GENERAL DE LA INVESTIGACION
11 TEMA Anaacutelisis de Distorsioacuten Armoacutenica en transformadores desfasadores
12 TITULO Efecto de la Distorsioacuten armoacutenica en transformadores
13 SUBTITULO Implementacioacuten de pruebas de rutina para el diagnoacutestico de
THD en transformadores con cargas armoacutenicas
14 AREA DE INVESTIGACION Ingenieriacutea en investigacioacuten y anaacutelisis de distorsioacuten
armoacutenica en transformadores
15 MATERIAS DE INVESTIGACION
-Meacutetodos y teacutecnicas praacutecticas para determinar el THD en transformadores
desfasadores
-Teoriacutea de armoacutenicos
-Disentildeo real del sistema ESP
-Normas que determinan los liacutemites en cuanto a cumplimiento de THD en
transformadores
16 COBERTURA DEL ESTUDIO De caraacutecter investigativo y experimental
17 CAMPO DE INTERES Experimentacioacuten y pruebas bajo cargas con mayor contenido de armoacutenicos en transformadores desfasadores
18 DIRECTOR Alexander Molina Cabrera ndash Profesor de la Universidad Tecnoloacutegica de Pereira
19 ASESOR Francisco Ortiz Quintero Jefe de Ingenieriacutea en Magnetroacuten SAS
empresa responsable de la praacutectica conducente
15
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten
sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las
cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las
peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento
del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente
se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las
implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los
valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean
descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de
energiacutea como un indicador de gestioacuten
El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de
pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para
recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten
armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a
sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa
fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su
comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA
iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con
condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical
submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de
1992
16
112 OBJETIVOS
1121 OBJETIVO GENERAL
Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema
TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12
pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten
de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto
nacionales como internacionales para el efecto
- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una
relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador
eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el
momento
- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes
activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad
motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las
condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por
transformadores
- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn
y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador
17
resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en
presencia de cargas armoacutenicas
- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute
mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea
113 JUSTIFICACIOacuteN
El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas
que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las
expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere
una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las
variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al
sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia
hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los
usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes
aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando
Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba
de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA
simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria
del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales
del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de
forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como
Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de
simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador
18
tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse
adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el
impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo
inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta
forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos
Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute
con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca
y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el
cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto
de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas
Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina
para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria
de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992
y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades
de la industria
19
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA
En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia
los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar
la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica
referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los
transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los
paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba
21 ANTECEDENTES
Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica
intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego
de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan
armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la
existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores
del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]
Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los
armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519
publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten
armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse
que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la
tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce
la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene
distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]
20
22 CONCEPTOS GENERALES
221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la
sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y
peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el
calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta
Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la
fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden
impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba
de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que
las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda
222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no
compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de
estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los
equipos
223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento
de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores
consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no
se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda
sinusoidal proporcional a sus variaciones
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
15
110 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El problema inicial radica en que los disentildeos de los transformadores estaacuten
sometidos generalmente a cargas sin mayores contenidos armoacutenicos ahora con las
cargas del sector petrolero los disentildeos no se ajustan lo suficiente a la realidad y las
peacuterdidas se disparan hasta violar los liacutemites exigidos por norma El descubrimiento
del valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de liacutemites de peacuterdidas hasta hoy solamente
se evidenciaba en terreno cuando el transformador estaacute en operacioacuten Las
implicaciones del desmonte de eacuteste importante dispositivo cuando se exceden los
valores de norma hace que las peacuterdidas ECONOacuteMICAS para el fabricante sean
descomunales y que para el comprador se aumenten las horas no servidas de
energiacutea como un indicador de gestioacuten
El problema a resolver radica en que en la regioacuten no se cuenta con un banco de
pruebas normalizado ni con un buen protocolo (o guiacutea teacutecnica) de pruebas para
recrear las condiciones necesarias de un pozo petrolero cuyas maacutequinas inyecten
armoacutenicos a los sistemas eleacutectricos Normalmente estos armoacutenicos son debido a
sus variadores de velocidad pero usualmente en el laboratorio de la empresa
fabricante del transformador no se cuenta con el mecanismo para analizar su
comportamiento en presencia de eacuteste tipo de armoacutenicos
111 FORMULACIOacuteN DEL PROBLEMA
iquestEs posible disentildear un protocolo de prueba de rutina basado en un disentildeo con
condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA simulando un sistema (Electrical
submersible pump) ESP dando cumplimiento a lo exigido en la norma IEEE 519 de
1992
16
112 OBJETIVOS
1121 OBJETIVO GENERAL
Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema
TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12
pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten
de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto
nacionales como internacionales para el efecto
- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una
relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador
eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el
momento
- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes
activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad
motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las
condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por
transformadores
- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn
y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador
17
resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en
presencia de cargas armoacutenicas
- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute
mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea
113 JUSTIFICACIOacuteN
El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas
que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las
expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere
una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las
variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al
sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia
hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los
usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes
aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando
Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba
de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA
simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria
del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales
del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de
forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como
Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de
simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador
18
tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse
adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el
impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo
inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta
forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos
Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute
con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca
y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el
cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto
de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas
Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina
para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria
de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992
y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades
de la industria
19
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA
En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia
los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar
la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica
referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los
transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los
paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba
21 ANTECEDENTES
Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica
intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego
de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan
armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la
existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores
del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]
Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los
armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519
publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten
armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse
que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la
tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce
la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene
distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]
20
22 CONCEPTOS GENERALES
221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la
sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y
peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el
calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta
Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la
fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden
impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba
de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que
las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda
222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no
compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de
estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los
equipos
223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento
de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores
consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no
se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda
sinusoidal proporcional a sus variaciones
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
16
112 OBJETIVOS
1121 OBJETIVO GENERAL
Disentildear un protocolo de prueba para determinar los niveles de THD en el sistema
TRAFO- VARIADOR-CARGA con anaacutelisis comparativo del variador resistivo de 12
pulsos para transformadores con cargas armoacutenicas
1122 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
- Estudiar las formas posibles de realizar una prueba para la medicioacuten
de THD Asiacute mismo revisar la literatura y normas disponibles tanto
nacionales como internacionales para el efecto
- Establecer una formulacioacuten empiacuterica que permita establecer una
relacioacuten entre niveles de THD y peacuterdidas en un transformador
eleacutectrico Analizar la relacioacuten matemaacutetica establecida hasta el
momento
- Definir las principales caracteriacutesticas constructivas de las partes
activas de transformadores desfasadores variadores de velocidad
motores y otros elementos que intervienen en la recreacioacuten de las
condiciones de carga de un campo petrolero tiacutepico alimentado por
transformadores
- Efectuar pruebas de laboratorio a transformador tridevanado dd0dyn
y autotransformador configuracioacuten delta poligonal con un variador
17
resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en
presencia de cargas armoacutenicas
- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute
mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea
113 JUSTIFICACIOacuteN
El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas
que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las
expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere
una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las
variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al
sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia
hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los
usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes
aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando
Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba
de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA
simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria
del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales
del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de
forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como
Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de
simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador
18
tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse
adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el
impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo
inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta
forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos
Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute
con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca
y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el
cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto
de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas
Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina
para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria
de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992
y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades
de la industria
19
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA
En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia
los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar
la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica
referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los
transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los
paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba
21 ANTECEDENTES
Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica
intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego
de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan
armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la
existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores
del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]
Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los
armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519
publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten
armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse
que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la
tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce
la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene
distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]
20
22 CONCEPTOS GENERALES
221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la
sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y
peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el
calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta
Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la
fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden
impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba
de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que
las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda
222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no
compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de
estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los
equipos
223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento
de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores
consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no
se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda
sinusoidal proporcional a sus variaciones
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
17
resistivo de 12 pulsos y obtener lecturas de variables eleacutectricas en
presencia de cargas armoacutenicas
- Disentildear el protocolo de pruebas para el laboratorio propuesto asiacute
mismo definir los requerimientos fiacutesicos que eacuteste tendriacutea
113 JUSTIFICACIOacuteN
El constante crecimiento de la economiacutea local y mundial requiere de tecnologiacuteas
que suplan las necesidades del momento generando alternativas para cumplir las
expectativas del mercado Tal es el caso de la industria energeacutetica que requiere
una infraestructura soacutelida y robusta que puede ser flexible y adaptativa ante las
variaciones de la red producto de la dinaacutemica de las cargas que se conectan al
sistema de potencia El caso particular de los armoacutenicos en sistemas de potencia
hace que los transformadores deban ser analizados pues al entregarse a los
usuarios finales eacutestos deben cumplir norma IEEE519-1992 en sus diferentes
aspectos independiente del tipo de carga que se esteacute alimentando
Uno de los objetos de esta propuesta es la realizacioacuten de un protocolo de prueba
de rutina basado en un disentildeo con condiciones reales TRAFO-VARIADOR-CARGA
simulando un sistema (Electrical submersible pump) ESP Hasta ahora la industria
del software ha efectuado desarrollos que permiten analizar los efectos circuitales
del modelo del transformador y los efectos de fenoacutemenos electromagneacuteticos de
forma separada Lo anterior se refleja en que auacuten programas de simulacioacuten como
Maxwell y Comsol estaacuten en sus primeros pasos para obtener eacuteste tipo de
simulaciones Ahora el problema de los armoacutenicos en presencia del transformador
18
tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse
adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el
impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo
inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta
forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos
Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute
con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca
y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el
cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto
de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas
Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina
para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria
de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992
y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades
de la industria
19
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA
En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia
los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar
la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica
referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los
transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los
paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba
21 ANTECEDENTES
Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica
intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego
de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan
armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la
existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores
del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]
Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los
armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519
publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten
armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse
que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la
tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce
la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene
distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]
20
22 CONCEPTOS GENERALES
221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la
sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y
peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el
calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta
Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la
fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden
impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba
de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que
las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda
222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no
compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de
estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los
equipos
223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento
de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores
consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no
se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda
sinusoidal proporcional a sus variaciones
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
18
tiene que ver con las relaciones circuitales-fiacutesicas que no han podido resolverse
adecuadamente en eacutestos simuladores Por lo anterior para poder efectuar el
impacto de los diferentes disentildeos sobre los armoacutenicos no queda maacutes en lo
inmediato que recrear las condiciones operativas de un campo petrolero y de eacutesta
forma revisar en tal laboratorio el anaacutelisis de los diferentes prototipos
Para el montaje y anaacutelisis de las diferentes componentes del laboratorio se contaraacute
con los dispositivos de potencia de la empresa Magnetroacuten ubicada en la zona franca
y que daraacute autorizacioacuten al autor de eacuteste trabajo a intervenir los equipos sobre el
cual se usaraacuten las guiacuteas teacutecnicas y normas ICONTEC existentes y con eacuteste proyecto
de grado se construiraacute la guiacutea de anaacutelisis de armoacutenicos en eacutestos sistemas
Dicho lo anterior la implementacioacuten de pruebas y el protocolo de pruebas de rutina
para el diagnoacutestico de distorsioacuten armoacutenica contribuiraacute al desarrollo en la industria
de transformadores del paiacutes atendiendo a lo exigido en la norma IEEE 519 de 1992
y posicionando la UTP y a la industria regional en cuanto a eacuteste tipo de necesidades
de la industria
19
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA
En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia
los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar
la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica
referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los
transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los
paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba
21 ANTECEDENTES
Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica
intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego
de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan
armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la
existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores
del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]
Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los
armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519
publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten
armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse
que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la
tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce
la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene
distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]
20
22 CONCEPTOS GENERALES
221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la
sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y
peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el
calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta
Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la
fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden
impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba
de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que
las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda
222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no
compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de
estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los
equipos
223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento
de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores
consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no
se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda
sinusoidal proporcional a sus variaciones
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
19
CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA
En este capiacutetulo se tomaraacute como objeto de estudio contenido dentro del marco de referencia
los antecedentes que nos brindan un punto de partida como elemento base para fundamentar
la propuesta al igual que la norma que determina los liacutemites de distorsioacuten armoacutenica
referenciada en la IEEE 519 de 1992 La NTC 317 se refiere a los conceptos generales de los
transformadores secos y sumergidos asiacute como tambieacuten la NTC 1358 que regula los
paraacutemetros a considerar en un protocolo de prueba
21 ANTECEDENTES
Las primeras cargas no lineales llegaron a ser los transformadores debido a su caracteriacutestica
intriacutenseca no lineal cuando funcionaban cerca de los liacutemites de saturacioacuten del nuacutecleo Luego
de la aparicioacuten de dispositivos de estado soacutelido el nuacutemero de cargas no lineales que inyectan
armoacutenicos al sistema eleacutectrico han ido creciendo enormemente hasta el punto de obligar la
existencia de una norma que las regule y que haga que tanto consumidores como proveedores
del servicio eviten la existencia exagerada de las mismas [4]
Uno de los primeros elementos conceptuales acerca de la necesidad de hacer frente a los
armoacutenicos en sistemas eleacutectricos tiene que ver con la formulacioacuten de la norma IEEE 519
publicada en 1981 En eacutesta norma se establecieron liacutemites para el valor de la distorsioacuten
armoacutenica en niveles de tensioacuten hasta de 110 kV [5] Dentro de la misma norma puede verse
que los valores de distorsioacuten permitidos para las corrientes es de un valor mayor que para la
tensioacuten elemento que resulta loacutegico dado que la tensioacuten es en primera instancia quien produce
la aparicioacuten de circulacioacuten de corriente para los sistemas eleacutectricos y si la tensioacuten tiene
distorsioacuten seraacute plausible que la corriente se distorsione auacuten maacutes [4]
20
22 CONCEPTOS GENERALES
221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la
sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y
peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el
calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta
Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la
fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden
impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba
de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que
las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda
222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no
compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de
estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los
equipos
223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento
de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores
consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no
se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda
sinusoidal proporcional a sus variaciones
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
20
22 CONCEPTOS GENERALES
221 Armoacutenico Distorsioacuten de las ondas sinusoidales (ondas ideales) donde se deforma la
sentildeal de intensidad provocando de esta manera la disminucioacuten en la calidad de energiacutea y
peacuterdidas en los nuacutecleos de los transformadores derivaacutendose de este fenoacutemeno el
calentamiento excesivo Dado lo anterior los equipos presentan una vida uacutetil muy corta
Es de aclarar que este tipo de componente posee una frecuencia mayor con muacuteltiplos de la
fundamental donde se comportan en secuencia directa homopolar o inversa y de orden
impar Esta terminologiacutea es analizada mediante el teorema de Fourier en el cual se comprueba
de forma matemaacutetica que las ondas impares se visualizan en ondas simeacutetricas mientras que
las asimeacutetricas poseen los dos tipos de onda
222 Armoacutenico Caracteriacutestico Son los armoacutenicos impares diferenciados por no
compartir muacuteltiplos de tres Estos son producidos por los dispositivos de potencia de
estado soacutelido El anterior comportamiento produce cargas no lineales y dantildeos en los
equipos
223 Carga Lineal Generalmente la electricidad es una carga lineal cuyo incremento
de tensioacuten sinusoidal a inductancias condensadores y resistencias de valores
consolidados produce un corriente proporcional sinusoidal demostrando asiacute que si no
se controlara la electricidad antes del uso final se obtendriacutea una forma de onda
sinusoidal proporcional a sus variaciones
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
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Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
21
FIGURA 1 Onda ideal
224 Carga no lineal Las cargas no lineales al producir ondas
distorsionadas son las grandes causantes de la aparicioacuten de los
armoacutenicos tanto los equipos industriales tiristores convertidores
variadores hasta la misma iluminacioacuten que han mejorado de gran forma la
vida humana dando eficiencia y de cierta manera evolucioacuten traen inmerso
el principal factor de incidencia en la afectacioacuten de la calidad de onda los
armoacutenicos
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
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Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
22
FIGURA 2 Sentildeal de intensidad afectada por la Distorsioacuten armoacutenica
225 Distorsioacuten Armoacutenica Total Es una terminacioacuten utilizada para cuantificar la
propiedad no sinusoidal de una forma de onda Matemaacuteticamente es la relacioacuten entre
el valor eficaz de todos los teacuterminos correspondientes a las frecuencias distintas de la
fundamental y el valor eficaz del termino correspondiente a la frecuencia fundamental
119863119860119879 =radicsum 119868119899119903119898119904
2119899ne1
1198681119903119898119904
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
23
226 Espectro en frecuencia Son anaacutelisis espectrales donde se examina
cada orden de armoacutenico de una amplitud (intensidad) con respecto a una
frecuencia matemaacuteticamente existen espectros de frecuencia discreta
espectros continuos para funciones no perioacutedicas hasta espectros de
energiacutea
FIGURA 3 Espectro en frecuencias
0
50
100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en V
000
2000
4000
6000
8000
10000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Contenido de Armonicos en Io
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
24
23 BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)
El bombeo Electro sumergible es utilizado generalmente en los campos petroleros mediante
un sistema que desplaza grandes cantidades de crudo cumpliendo con indicadores de eficacia
y economiacutea
Para la utilizacioacuten de estos dispositivos se perfilan yacimientos con alta rentabilidad y con
pozos profundos en los que se dispone de flujo continuo
Este sistema es aplicado cuando se presentan los siguientes casos
bull Alto grado de produccioacuten
bull Presioacuten de fondo Baja
bull Considerable relacioacuten agua ndash petroacuteleo
bull Considerable relacioacuten gas ndash liacutequido
El BES (Bomba-Electro-Sumergible) se fundamenta en la utilizacioacuten de bombas centriacutefugas
(con muacuteltiples etapas) ubicadas al final del pozo estas operan mediante motores eleacutectricos
El BES tiene un rango de capacidades que va desde 200 a 9000 BPD trabaja a profundidades
entre los 3650m y 4570m el rango de eficiencia estaacute entre 18 ndash 68 y puede ser usado en
pozos tanto verticales como desviados o inclinados
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
25
FIGURA 4 Equipo de bombeo electrosumergible
Los componentes de una unidad de BES estaacute constituida en el fondo del pozo por motor
eleacutectrico seccioacuten de entrada protector bomba electrocentriacutefuga y cable conductor Las partes
superficiales son cabezal cable superficial Tablero de control y transformador
Adicional se incluyen separador de gas extensioacuten de la mufa flejes para cable centradores
vaacutelvula de drene vaacutelvula de contrapresioacuten sensor de presioacuten y temperatura de fondo caja de
unioacuten dispositivos electroacutenicos para control del motor y controlador de velocidad variable
PARAacuteMETROS DE CONTROL EN EL BES
bull Presiones en el cabezal y presiones de fondo
bull Verificacioacuten en la instalacioacuten
bull Seguridad en sus componentes y optimizacioacuten de proceso
bull Verificacioacuten en el flujo de crudo
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
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Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
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httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
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httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
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[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
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[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
26
VENTAJAS amp DESVENTAJAS
VENTAJAS
middot A mayor volumen de dispositivos los costos disminuyen
middot Puede ser adaptado a pozos verticales y con inclinacioacuten
middot Maneja tasas de produccioacuten alrededor de 200 ndash 90000 BPD
middot Requiere el miacutenimo de mantenimiento
middot Mediante sensores ubicados en el fondo del pozo se puede monitorear faacutecilmente variables
de presioacuten y temperatura
middot presenta alta resistencia en ambientes corrosivos
DESVENTAJAS
middot Es indispensable el suministro de energiacutea Eleacutectrica
middot Se requiere de cables con resistencia a las altas temperaturas
middot Las BES se ven impactadas por produccioacuten de arena y alta temperatura de fondo [14]
24 Disentildeo de transformadores Es el proceso previo para la creacioacuten de
transformadores en el cual se utilizan programas de disentildeo como CALBOB 70
(caacutelculo de bobinas versioacuten 70 ) o SDM (Software de disentildeo Magnetroacuten) para
dicha creacioacuten se tiene en cuenta la siguiente lista de chequeo
241 Factores se dividen en factores de correccioacuten factores asociados a
la laacutemina de silicio y factores de seguridad En el primer caso se puede
modificar el disentildeo siempre y cuando este asociado a un anaacutelisis
estadiacutestico Se determina seguacuten el BIL en alta tensioacuten
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
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Electrical Power April 1993
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CANTABRIA
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86
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[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
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[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
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[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
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[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
27
242 Aislamientos Se determina a traveacutes del estudio de los siguientes aspectos
FIGURA 5 Cabezal Bobina
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = 11987091 =Cabezal bobina en AT [cm]
1198709 = 11987092 = Cabezal bobina en BT [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
28
Casquillo de baja tensioacuten donde se selecciona la potencia y el BIL teniendo
en cuenta el tipo de peacuterdida si es normal o baja
Aislamiento entre capas de AT (Alta Tensioacuten) y BT (Baja Tensioacuten) Se
procura que este aislamiento sea en el mismo espesor del papel utilizado en
BT-AT
Espesor del cabezal en AT y BT en el cual se selecciona un espesor menor
que el espesor del conductor Los cabezales en las bobinas de BT y AT
tienen como finalidad aumentar sustancialmente la resistencia mecaacutenica de
las bobinas evitando su deformacioacuten en el proceso de ensamble yo en
condiciones de corto circuito Se utiliza en forma rectangular y en forma
trapezoidal
Ancho de cabezales se define de acuerdo al BIL de cada bobina y al KVA
del transformador
243 Tolerancias Se determina a traveacutes de las mediciones de cada uno
de los extremos de la bobina y el nuacutecleo al nuacutemero de fases y al KVA del
transformador
244 Caracteriacutesticas del nuacutecleo y de bobinas de AT y BT Este tipo de
caracteriacutesticas se establecen mediante cumplimiento de induccioacuten
magneacutetica factor de apilamiento densidad de corrientes para Cu y Al
temperaturas de cortocircuito y coeficientes de refrigeracioacuten
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
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Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
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[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
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86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
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[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
29
25 Transformador
Es un dispositivo que cambia las tensiones a diferentes niveles se
desarrolloacute con el fin de reducir las peacuterdidas producto del efecto Joule
asociado a la resistencia inherente a las liacuteneas del sistema de transmisioacuten
Algunas de las caracteriacutesticas y variables baacutesicas que lo definen son
Potencia Voltaje primario voltaje secundario clase BIL tipo de
transformador tap (Cambiador de derivaciones o de relacioacuten de
transformacioacuten) conexioacuten Norma de fabricacioacuten Esta informacioacuten se
verifica en los pliegos normas o demaacutes documentos
Accesorios maacutes usados
Conmutador utilizado de forma circular y lineal su seleccioacuten
depende de la corriente de fase en el primario y del calibre del
conductor usado en la bobina de AT
Calculo de la corriente
119868119863119864119871119879119860 =119875
3 lowast 119881
119868119864119878119879119877119864119871119871119860 =119875
radic3 lowast 119881
Termo-pozo empleado en transformadores mayores o iguales a
500 KVA Se especifica la longitud y se elige el buje inoxidable que
se debe soldar a la caja
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
30
Termoacutemetro adicionado cuando es solicitado por norma puede ser
con o sin contactos y la ubicacioacuten depende de la distribucioacuten de la
caja (horizontal o vertical)
El Nivel de aceite de los transformadores monofaacutesicos llevan nivel
del refrigerante medido en su interior (marca con pinturas en las
paredes internas del tanque)
La vaacutelvula de sobrepresioacuten se determina a traveacutes del volumen del
aceite contenido en el transformador para determinar si cumple con
el criterio de volumen
El KIT de Baja Tensioacuten se selecciona de acuerdo a la corriente
nominal del transformador en Baja Tensioacuten
Calculo de la corriente
1198681198781119865 = (119875
119881)
1198681198782119865 = (119875
119881 lowast radic3)
El tanque de expansioacuten presente en los transformadores con
potencia superior a 2000kVA siendo obligatorio para
transformadores de BIL 200 kVA
La Caja de conexioacuten es un gabinete que depende del nuacutemero de
accesorios con contactos que lleve el transformador los gabinetes
compactos pequentildeos se usan cuando hay dos o menos accesorios
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
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Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
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CANTABRIA
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86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
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[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
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[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
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[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
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[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
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[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
31
con contacto los compactos grandes se usan cuando hay tres o
maacutes accesorios con contactos
Para los Aisladores de AT se debe tener en cuenta la corriente del
primario el BIL del transformador el tipo de sujecioacuten y si la caja lleva
tanque de expansioacuten
La Laacutemina antimagneacutetica depende de la corriente que circula por
BT En el caso de los transformadores para el sector petrolero el
valor de la corriente que circula por BT es quien define si lleva o no
lamina antimagneacutetica
26 BOBINAS
Las bobinas de los transformadores eleacutectricos estaacuten construidas con conductores de cobre yo
aluminio los cuales presentan resistencia al paso del flujo eleacutectrico que da como fenoacutemeno
el efecto joule manifestado mediante calor (aumento de temperatura) Este calentamiento se
debe controlar dentro determinados liacutemites para evitar el deterioro de los aislamientos y asiacute
controlar que el componente pierda su efectividad por exceso de temperatura Asiacute mismo este
calor es el reflejo de las peacuterdidas de energiacutea lo que significa una reduccioacuten de la eficiencia
del dispositivo
El control de temperatura de la bobina se logra mediante dos mecanismos
a) Por conveccioacuten y radiacioacuten de la energiacutea caloacuterica producida por la bobina al medio
refrigerante
b) por transferencia de la energiacutea caloacuterica del conductor al aceite mediante contacto directo
entre los dos a traveacutes de ductos de refrigeracioacuten
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
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Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
32
FIGURA 6 Dimensiones nuacutecleo del transformador
119886119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119894 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119886119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
119887119888 = dimensiones del nuacutecleo [cm]
1198967 = Tolerancia bobina nuacutecleo en ac [cm]
1198708 = Tolerancia bobina nuacutecleo en bc [cm]
1198709 = Cabezal bobina sea en BT o AT [cm]
ℎ119864 =dimensiones del nuacutecleo [cm]
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
33
27 Ductos de refrigeracioacuten
Los ductos de refrigeracioacuten se pueden conformar de varias formas todos orientados en facilitar
su aplicacioacuten en el proceso de fabricacioacuten de las bobinas ademaacutes de obtener la mejor
transferencia de calor entre el conductor y el aceite
Las formas maacutes frecuentes son
271 Cartoacuten corrugado
El ducto actuacutea directamente sobre dos caras del conductor por lo cual la transferencia del calor
entre conductor y aceite seraacute del 100 en el aacuterea que el conductor estaacute en contacto con el
aceite
272 Duck STrip
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
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Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
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[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
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[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
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[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
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[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
34
Estaacute compuesto por cunas de cartoacuten riacutegido pegadas sobre una capa de papel epoacutexicos que
cubre la totalidad del aacuterea
El espesor de las cuntildeas y su espaciamiento dependen de la aplicacioacuten que se les vaya a dar
seguacuten la capacidad (KVA) de la bobina el ducto actuacutea sobre dos caras del conductor
Una directamente en contacto
La otra a traveacutes de la capa de papel
Asumimos que la transferencia de calor en la cara que estaacute directamente en contacto seraacute
100 y que en la otra cara por efecto del papel la transmisioacuten solo seraacute del 75
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
35
FIGURA 7 FORMAS DUCTOS DE REFRIGERACION
28 PEacuteRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
Las cargas no lineales pueden dantildear de manera raacutepida el transformador dado el calentamiento
que se produce en el devanado de este al tener niveles constantes elevados de temperatura
puede reducir la vida uacutetil de este dispositivo presentando peacuterdidas teacutecnicas y econoacutemicas
carton corrugado 20 10
A
175 131
B
175 117
C
175 105
D
175 103
TipoD
uck
Str
ipFPFaFpiDimen [mm] forma
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
36
Es de vital importancia recordar que las peacuterdidas teacutecnicas bajo carga se componen de la suma
de las peacuterdidas por efecto joule y la suma de las peacuterdidas Las peacuterdidas por calentamiento se
dan en el cobre y en el hierro En el cobre se deben a la circulacioacuten de la corriente de
funcionamiento y en el hierro (nuacutecleo) se presentan debido al campo magneacutetico variable que
hace que se presenten corrientes parasitas en el mismo
En los transformadores las perdidas dependen en gran parte del disentildeo de este y el tipo de
funcioacuten que cumplan Dado que se deben tener en cuenta a la hora de realizar los distintos
anaacutelisis y pruebas de los aislamientos para nuacutecleo enrollado con su respetivo material
asignado soporte de conexiones seguacuten su funcioacuten tipos de pruebas del departamento de
control de calidad donde se examine de forma detallada tanto el nuacutecleo como la bobina dando
el criterio de aceptacioacuten o rechazo seguacuten los valores medidos y sus tolerancias respetando
las normas correspondientes
Las peacuterdidas totales son
119875119871119871 = 119875 + 119875119864119862 + 119875119874119878119871
Siendo
119875119871119871 = 119875119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875 = 119890119904 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 1198682 lowast 119877 119889119890 119897119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119890119899 119888119886119903119892119886 (119882)
119875119864119862 = 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 119890119899 119897119900119904 119889119890119907119886119899119886119889119900119904 (119882)
119875119874119878119871 = 119900119905119903119886119904 119901119890119903119889119894119889119886119904 119886119889119894119888119894119900119899119886119897119890119904 (119882)
29 VSD
El variador de velocidad SpeedStar es una unidad de control ubicada en la superficie del
sistema ESP que facilita el ajuste por los operarios de forma remota interviniendo variables
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
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[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
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[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
37
eleacutectricas como potencia y corriente sintetizando fuentes de potencia trifaacutesica con frecuencia
y voltajes variables aplicados a motores de induccioacuten
Estos dispositivos poseen un filtro de salida que producen un voltaje y una corriente de salida
casi sinusoidal que eliminan la vibracioacuten de la bomba facilitando asiacute la eficiencia del motor
FIGURA 8 Controles de superficie
Adicional este sistema cuenta con un supresor de impulsos de voltajes transitorios que ofrece
proteccioacuten frente a eventos de sobre-corriente producidas por descargas o fallas en el sistema
eleacutectrico
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
38
El sistema VSD SpeedStar permite variar y controlar la velocidad de los motores mediante
ajuste de frecuencia que incide en el ajuste del voltaje aplicado al motor
210 PRUEBAS DE LABORATORIO COMUNES EN FAacuteBRICAS DE TRANSFORMADORES
Para verificar el correcto funcionamiento de los transformadores al momento de dejar la faacutebrica
se han estandarizado varias pruebas que se efectuacutean a la totalidad de los transformadores o
a una muestra de ellos Las pruebas que se aplican de manera generalizada son denominadas
pruebas de rutina y se efectuacutean de forma que no afecta el posterior funcionamiento del
transformador ni su vida uacutetil Por otro lado en la planta del fabricante se efectuacutean otras pruebas
especiales sobre una muestra de los transformadores Algunas de tales pruebas se describen
de forma que se tengan en cuenta sus procedimientos para la exploracioacuten de un protocolo de
pruebas como el que se busca con eacuteste proyecto [13]
a Pruebas de rutina
I Prueba de Circuito abierto o ensayo en vaciacuteo esta prueba se realiza alimentando
al nivel de baja tensioacuten a tensioacuten nominal y el lado de alta tensioacuten sin carga a
frecuencia nominal el objeto es medir peacuterdidas en el hierro y corrientes de
excitacioacuten
II Prueba de cortocircuito se cortocircuita los terminales del lado de baja tensioacuten y
se alimenta el lado de alta tensioacuten con tensioacuten cercana al 10 de la nominal y hasta
alcanzar corriente nominal en baja tensioacuten Eacutesta prueba se realiza con el objeto de
medir las peacuterdidas en el Cobre y analizar los datos de impedancia Cabe resaltar
que antes de la prueba se realiza ensayos para verificar la capacidad mecaacutenica del
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
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[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
39
transformador y para corroborar que soporta esfuerzos mecaacutenicos debido a la
tensioacuten nominal
En algunos transformadores se hacen pruebas de cortocircuito franco esto con el fin de
verificar la capacidad del transformador para soportar los esfuerzos electromecaacutenicos
ocasionados por un cortocircuito se hace por control de calidad y para validar y homologar el
disentildeo del transformador para su construccioacuten Para tener maacutes claro el anaacutelisis se hace un
breve contenido histoacuterico sobre las fuerzas a traveacutes de un conductor en el caso de un
cortocircuito una partiacutecula cargada y en movimiento en un campo magneacutetico de densidad B
experimenta una fuerza La direccioacuten es perpendicular a v y B
119865 = 119876119907 lowast 119861
119889119865 = 119889119876119907 lowast 119861
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
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[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
40
Un campo magneacutetico sobre los electrones provoca un cambio de posicioacuten y produce un
desplazamiento de los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas
Un elemento de carga movieacutendose dentro de un conductor la fuerza total es aplicado al mismo
conductor soacutelido
119869 = 120588119907119907
119865 = 119868 lowast 119897 lowast 119861
I
Iacute
F
Facute
FIGURA 9 Esquema de fuerzas en partiacutecula cargada y en movimiento
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
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Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
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[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
41
FIGURA 10 fuerzas al interior
FxFx
Fy
Fy
- Fy- Fy
Fy
Fy
F
F
Nuacute
cle
o
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
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Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
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[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
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[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
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CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
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[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
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[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
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[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
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[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
42
FIGURA 11 Fuerzas axiales
FIGURA 12 Desplazamiento axial
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
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Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
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[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
43
FIGURA 13 Fuerzas radiales
FIGURA 14 Desplazamiento radial
Lo anterior describe la aparicioacuten de fuerzas sobre los conductores con corriente que pueden
ocasionar que los bobinados se desplacen y pierdan su posicioacuten inicial Las figuras ilustran
claramente los problemas que pueden presentar los transformadores al manejar corrientes de
descargas atmosfeacutericas
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
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Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
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httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
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httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
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[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
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86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
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When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
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[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
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[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
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[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
44
b Prueba especiales
I Prueba de tensioacuten aplicada Esta prueba se realiza en dos etapas alta contra
tierra y baja contra tierra el objeto es validar el disentildeo de sistema aislante del
transformador se aplica por lo menos el doble de la clase de cada devanado por
ejemplo si el transformador es clase 15 kV en el primario el voltaje aplicado es
35 kV aunque hay algunas normas que manejan 38 kV
Es asiacute que las anteriores pruebas se diferencian en que las pruebas especiales deterioran la
vida uacutetil del transformador Por lo anterior el protocolo que se define debe procurar que al
aplicarse sobre la totalidad de los transformadores no cambie la vida uacutetil de los mismos
211 MARCO LEGAL
2111 Normatividad
La automatizacioacuten del sector petrolero ha venido en aumento por lo tanto se ha incrementado
la demanda del sector eleacutectrico los sistemas eleacutectricos deben adaptarse a los requerimientos
de la industria y mantener la distorsioacuten armoacutenica dentro de los liacutemites establecidos con el
objeto de asegurar la integridad en el sistema de potencia Lo cual lleva a implementar un
protocolo de pruebas donde se evidencie que tanta mitigacioacuten de armoacutenicos presentan el
transformador lo que llevariacutea a descubrir el valor de la variacioacuten y de la violacioacuten de los liacutemites
de peacuterdidas antes de llevar al mercado o de instalar el transformador en campo evitando de
esta manera que posteriormente se deba realizar el desmonte del mismo ocasionando
peacuterdidas econoacutemicas para el fabricante
Para determinar si las pruebas que se realizan son obsecuentes con las normas que rigen los
liacutemites de Distorsioacuten armoacutenica se tiene presente la aplicacioacuten de la norma IEEE 519-92
ldquoRECOMENDACIONES PRAacuteCTICAS Y REQUERIMIENTOS DE LA IEEE PARA EL
CONTROL DE ARMONICOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIArdquo Con el fin de
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
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86
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Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
45
determinar las pautas con las cuales se crea el protocolo de prueba y la guiacutea de terminologiacutea
aplicamos la NTC 1358 ldquoPROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORESrdquo y la
NTC 317 Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacuteardquo
Es vaacutelido aclarar de forma sucinta la aplicacioacuten de la norma en el protocolo a implementar
La norma IEEE 519-92 enuncia ser una ldquorecomendacioacuten practica que pretende establecer los
principios para el disentildeo de los sistemas eleacutectricos que incluyan cargas lineales y no lineales
Para realizar dicho anaacutelisis en corriente se tienen ciertos liacutemites armoacutenicos enunciados a
continuacioacuten 1 limitar la inyeccioacuten armoacutenica de consumidores para que ellos no causen
niveles de distorsioacuten de voltaje inaceptables para caracteriacutesticas normales del sistema 2
Limitar la distorsioacuten armoacutenica global del sistema de alimentacioacuten de voltaje por la subestacioacuten
alimentadora cuyo objetivo principal es limitar el voltaje de frecuencia armoacutenica individual
maacutexima a 3 de la fundamental y el voltaje THD a 5 para sistemas que no tengan una
resonancia paralela mayor a una de las frecuencias armoacutenicas inyectadasrdquo [1]
Para el anaacutelisis de la distorsioacuten armoacutenica en corriente producida que se presentan en cada
uno de los transformadores a analizar se tiene en cuenta que
119879119867119863 =radic1198682
2 + 11986832 + ⋯ hellip hellip hellip + 119868119899
2
1198681 (1)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198682 1198683 hellip hellip 119868119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
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87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
46
119868119877119872119878 = radicsum 1198681198992
119899
1
[119860] (2)
1198681 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119888119900119903119903119894119890119899119905119890
Cabe aclarar que la Tabla 1 y la Tabla 2 se toman de manera textual de la IEEE 519-1992
para fijar los liacutemites armoacutenicos tanto en corriente como en tensioacuten
Tabla 1 Base para los liacutemites de corriente armoacutenica
SCR en el PCC Voltaje de Frecuencia
armoacutenica individual
Maacuteximo ()
Asuncioacuten relacionada
10 25-30 Sistema dedicado
20 20-205 1-2 grandes consumidores
50 10-15
consumidores relativamente
grandes
100 05-10
5-20 consumidores de tamantildeo
mediano
1000 005-010 consumidores muy pequentildeos
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
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[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
47
Para llevar a cabo la medicioacuten de Distorsioacuten de Tensioacuten antes de realizar el disentildeo de un
transformador se tiene en cuenta seguacuten la IEEE 519 ldquoLos liacutemites dados pueden ser usados
como valores de disentildeo de sistemas para el peor de los casos con una operacioacuten normal
(condiciones que duran maacutes de una hora) Para periacuteodos cortos durante cortes o condiciones
inusuales los liacutemites pueden exceder el 50rdquo [1]
119879119867119863 =radic1198812
2 + 11988132 + ⋯ hellip hellip hellip + 119881119899
2
1198811 (3)
Donde
119879119867119863 119879119886119904119886 119889119890 119889119894119904119905119900119903119904119894119900119899 119886119903119898119900119899119894119888119886
1198812 1198813 hellip hellip 119881119899 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119888119886119889119886 119906119899119886 119889119890 119897119886119904 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890119904 119886119903119898119900119899119894119888119886119904 119889119890 119900119903119889119890119899 119899
119881119877119872119878 = radicsum 1198811198992
119899
1
[119881] (4)
1198811 119907119886119897119900119903 119890119891119894119888119886119911 119889119890 119897119886 119888119900119898119901119900119899119890119899119905119890 119891119906119899119889119886119898119890119899119905119886119897 119889119890 119905119890119899119904119894119900119899
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
48
Tabla 2 Liacutemites de distorsioacuten de voltaje
Voltaje de barra en el PCC
Distorsioacuten de
voltaje
individual ()
Distorsioacuten de
voltaje total
THD ()
69 Kv y por debajo 3 5
69001 V a 161 Kv 15 25
161001 v y por encima 1 15
La informacioacuten necesario que debe contener el protocolo a aplicar la tomamos de la NORMA
TECNICA COLOMBIANA NTC 1358
21111 NTC 1358 PROTOCOLO DE PRUEBAS PARA TRANSFORMADORES
Partiendo de la definicioacuten de cada concepto que corresponde o hace parte de la
operacioacuten del transformador y para velar de que todas las pruebas realizadas tanto para
transformadores secos como sumergidos sean estandarizadas la NTC propone una
lista de chequeo con cada requisito desde las caracteriacutesticas baacutesicas como lo son
tensioacuten y corriente hasta capacidad del transformador y su relacioacuten de transformacioacuten
De igual manera sus dimensiones externas pintura eficiencia a plena carga ensayos
de cortocircuito peacuterdidas ensayo de aislamiento y material de fabricacioacuten
Para la aplicacioacuten de teacuterminos y definiciones relativas a los transformadores eleacutectricos se ha
implementado la NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
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86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
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[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
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petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
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[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
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[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
49
21112 NTC 317 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Y DISTRIBUCIOacuteN
TERMINOLOGIacuteA
La Norma Teacutecnica describe de forma sencilla todos los conceptos pertenecientes al
transformador eleacutectrico y demaacutes equipos afines a este teacutermino es de aclarar que se
describen desde los conceptos generales como las caracteriacutesticas de los
transformadores especiales hasta su clasificacioacuten por tamantildeo aislamiento y
localizacioacuten Valores nominales y de igual manera las peacuterdidas generadas por
calentamiento en los devanados corrientes de excitacioacuten y corrientes de
cortocircuito Tambieacuten ensayos a los que deben estar sometidos los
transformadores para cumplir requisitos a la hora de sacar al mercado este
dispositivo eleacutectrico y de brindar confiabilidad al cliente
CAPITULO III METODOLOGIA
31 Tipo de Investigacioacuten
Para el desarrollo de la propuesta se establece una metodologiacutea de anaacutelisis que busca
verificar la distorsioacuten armoacutenica presente en los transformadores a traveacutes de un anaacutelisis
praacutectico
32 Meacutetodo de Investigacioacuten
El meacutetodo de investigacioacuten a seguir en este proyecto seraacute de caraacutecter experimental dado que
los transformadores deben cumplir con ciertos liacutemites establecidos por la norma IEEE 519-92
se busca un escenario donde haya gran cantidad de contenido armoacutenico es por esto que
mediante un anaacutelisis teoacuterico se determinaron los componentes que hacen parte de un sistema
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
50
ESP a partir de esto se procede a buscar componentes que sustituyan las maquinas que
comercialmente son muy difiacuteciles de conseguir Se replantea el disentildeo que anteriormente
comprendiacutea FUENTE-TANSFORMADOR DE ENTRADA- VSD- SUT-MOTOR por uno real
de FUENTE-TRANSFORMADR DE ENTRADA-VSD-BANCO RESISTIVO es asiacute como
mediante el analizador de calidad de energiacutea y encaminado a la deteccioacuten de armoacutenicos
discriminados por armoacutenico o generalizado en todo el transformador y clasificando de esta
manera los resultados obtenidos en distorsioacuten armoacutenica de tensioacuten y corriente para el
respectivo anaacutelisis de la prueba se logra establecer que tanto cumplimiento presenta los
transformadores disentildeados y como meacutetodo de comparacioacuten se realizan pruebas con
transformadores disentildeados en otras compantildeiacuteas
Las pruebas tendraacuten lugar en el laboratorio de Magnetroacuten Zona Franca en el municipio de la
Tebaida en el departamento del Quindiacuteo donde se someten a prueba los transformadores
bajo distintos factores de carga expuestos a variables eleacutectricas y mecaacutenicas que mediante
analizadores de sentildeales permite determinar el estado de distorsioacuten armoacutenica de las muestras
de lotes de produccioacuten de los transformadores
33 Poblacioacuten y Muestra
En el desarrollo de este trabajo la poblacioacuten corresponde a las pruebas realizadas en distintos
tipos de transformadores que determinan de esta manera cuaacutel de estos prototipos es el maacutes
viable para el anaacutelisis de datos en cuanto al escenario de un sistema ESP
34 Fuentes para la recoleccioacuten de datos
Para esta investigacioacuten se utilizaron tres tipos de fuentes de informacioacuten como lo son
INFORMACIOacuteN PRIMARIA La cual fue extraiacuteda de libros artiacuteculos revistas normas
y manuales de disentildeo
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
51
INFORMACIOacuteN SECUNDARIA Es implementada mediante comparacioacuten de disentildeos
creados por programas como CALBOB Y SDM programas fundamentales para el
disentildeo de transformadores
INFORMACION TERCIARIA Se parte de las normas que determinan liacutemites de
Distorsion armoacutenica en transformadores al igual que la Norma que nos define la
realizacioacuten de protocolos de pruebas en estos
35 Teacutecnicas de Recoleccioacuten de Datos
Para determinar la recoleccioacuten de datos del presente documento primero se tiene un anaacutelisis
investigativo y luego un anaacutelisis practico
351 Anaacutelisis investigativo
Se realiza una investigacioacuten sobre los escenarios que presentan los transformadores en los
pozos petroleros en cuanto al gran contenido de carga armoacutenica que se maneja
352 Anaacutelisis praacutectico
Se recrea de manera experimental un escenario real con el cual se analiza mediante
comparacioacuten de resultados si los transformadores con los cuales se trabaja en este tipo de
sistemas producen la suficiente mitigacioacuten de armoacutenicos y asiacute dar cumplimiento a la IEEE 519
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
52
CAPITULO IV PROPUESTA
Para el anaacutelisis de distorsioacuten armoacutenica en transformadores que se plantea en sistemas donde
la carga presenta mayor contenido de armoacutenicos como son los sistemas ESP se presentaba
un gran inconveniente debido a que para obtener las mediciones no se contaba con la
autorizacioacuten para ingresar a un pozo petrolero y variar corriente y tensioacuten para las pruebas
dado que los operadores estaban en produccioacuten
Es de aclarar que no se tuvo presente un transformador SUT dado que su tensioacuten de salida
es 1100-5500 V y comercialmente no es faacutecil conseguir un motor para trabajar bajo estas
circunstancias y si se trabajara con un motor en vaciacuteo no se obtendriacutean datos de corriente
adecuados Dada la situacioacuten se procedioacute a realizar un disentildeo que simulara un sistema real
de trabajo TRANSFORMADOR-VARIADOR-CARGA donde inicialmente se propuso comprar
una carga para simular el sistema pero despueacutes de analizar las opciones dado los problemas
que se generaban con los frenos magneacuteticos se propuso de forma inmediata para dar inicio
a la propuesta contactar a la compantildeiacutea Baker Hughes para realizar las pruebas con un banco
resistivo de 480 V
Inicialmente se realizaron pruebas sin autotransformador para analizar el contenido de
armoacutenicos en dicho sistema sin la presencia de este seguacuten el esquema VARIADOR- BANCO
RESISTIVO Luego se procedioacute a tomar medidas tanto en autotransformadores como en
transformadores hexafasicos y dodecafasicos determinando a partir de estos cual es maacutes
viable comercialmente y optimo a la hora de ofrecer el producto cabe resaltar la realizacioacuten
de mediciones con transformadores de otras marcas para efectuar de cierta manera un marco
de comparacioacuten en cuanto al cumplimiento de la norma IEEE 519-92
Es asiacute como mediante el laboratorio que en el entonces se encontraba ubicado en las bodegas
Zona Franca de Magnetroacuten se realizaron las primeras pruebas las cuales continuaron y
finalizaron en los laboratorios de potencia de esta compantildeiacutea en la ciudad de Pereira
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
53
El transformador desfasador (phase shift transformer) de 12P es utilizado para alimentar
variadores de frecuencia de 12 pulsos los cuales constan de dos entradas que deben estar
desfasadas 30deg entre siacute
119889119890119904119891119886119904119890 119890119899 119868119873 119889119890119897 119881119878119863 =360deg
119873deg 119889119890 119901119906119897119904119900119904=
360deg
12= 30deg
FIGURA 15 Sistema ESP con VSD de 12 pulsos y transformador de entrada desfasador de 30deg
Para conseguir este desfase en las salidas del trasformador existen las siguientes alternativas
PST 12P TRANSFORMADOR TRIDEVANADO Dd0Dyn1
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN DELTA POLIGONAL
PST 12P AUTOTRANSFORMADOR CONFIGURACIOacuteN ZIG ZAG
PST 12P TRANSFORMADOR CONFIGURACION POLIGONAL DUAL EN EL
SECUNDARIO
Las tres propuestas garantizan el desfase deseado para alimentar los variadores de frecuencia
de 12 pulsos la utilizacioacuten de uno u otro dependeraacute de la escogencia del cliente de acuerdo a
su necesidad y las caracteriacutesticas del sistema donde operara el transformador (la maacutes
Input PowerSystem
30degPhase-ShiftStep DownTransformer
VSD12P
step-UpTransformer
DownholeEquipment
Input Line Voltage
Input 480 Volts
Input 480 Volts
VSD output480 Volts
SUT required output Volts
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
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Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
54
importante es el nivel de tensioacuten de la fuente de alimentacioacuten del transformador ya sea red
eleacutectrica o generador)
41 SDT STEP DOWN TRANSFORMER 12P Dd0Dyn1
Este equipo es usado comuacutenmente en sistemas donde existe una red eleacutectrica de media o
alta tensioacuten (132kV-138kV-144kV-345kV) que alimentaraacute al transformador este consta de
un devanado primario en delta disentildeado para trabajar a la potencia nominal (kVA) del equipo
y dos secundarios (transformador tridevanado) uno en delta y otro en estrella desfasados 0deg
y 30deg con respecto al primario y cada uno disentildeado al 50 de la potencia nominal del
transformador (kVA2) su configuracioacuten es la que se describe a continuacioacuten
FIGURA 16 Step Down Transformer en el sistema ESP
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
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Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
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[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
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[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
55
FIGURA 17 SDT 12P Transformador tridevanado Dd0Dyn1
FIGURA 18 Diagrama fasorial de los voltajes de entrada y salida
Out x H
H y
x
Out y
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
56
42 PHASE SHIFT TRANSFORMER (TIPO AUTRANSFORMADOR)
Transformadores utilizados para alimentar variadores de velocidad de 12 pulsos consta de
una entrada a 480V y dos salidas a 497V las cuales estan desfasadas entre si 30deg y cada una
de estas con respecto a la entrada +15deg y -15deg (H ndash HH) respectivamente
Normalmente estos equipos son alimentados por generadores y su finalidad es atenuar los
armonicos presentes en el sistema y asi permitir que los niveles de distorsion armonica (THDv
y THDi) se mantegan dentro de los limites establecidos por la IEEE 519
FIGURA 19 Phase Shift Transformer (tipo autotransformador) en el sistema ESP
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
57
FIGURA 20 Configuracioacuten circuital del Phase Shift Transformer (tipo autotransformador)
OUTPUT H
OUTPUT HH
INPUT X
58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
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58
421 FORMULACION DE VOLTAJES Y CORRIENTES DEL PST AUTOTRANSFORMADOR
FIGURA 21 Diagrama fasorial de voltajes ndash Conexioacuten Delta Poligonal
119881119886 = 119881119867119867 times 119904119890119899(120572
2) (1)
1198811198831 = 119881119867119867 times cos (120572
2) (2)
1198811198831 =119881119871minus119871
radic3 (3)
Igualando (2) y (3)
119881119867119867 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2) (4)
Va
VA
N
VaH1 HH1
VL-L
α
X1
X2
VX1
VX2
VHH
X3
H2
H3 HH2
HH3
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
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Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
59
Reemplazando (4) en (1)
119881119886 =119881119871minus119871
radic3cos (120572
2)
times 119904119890119899(120572
2) (5)
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff se tiene
119881119871minus119871rarr + 119881119886
rarr + 119881119860rarr + 119881119886prime
rarr = 0
119881119871minus119871ang120deg + 119881119886ang0deg + 119881119860ang minus 60deg + 119881119886ang minus 120deg = 0
119881119871minus119871119888119900119904120deg + 1198811198861198881199001199040deg + 119881119860 cos(minus60deg) + 119881119886 cos(minus120deg) = 0
119881119871minus119871(minus05) + 119881119886 + 119881119860(05) + 119881119886(minus05) = 0
minus1
2119881119871minus119871 +
1
2119881119886 +
1
2119881119860 = 0
minus119881119871minus119871 + 119881119886 + 119881119860 = 0
119881119860 = 119881119871minus119871 minus 119881119886 (6)
Si se tiene un aacutengulo α=30deg y un voltaje de liacutenea VL-L = 480V en (5) se tiene que
Va = 74256V
Reemplazando en la ecuacioacuten (6) el valor encontrado para Va se tiene
VA = 480 ndash 74256 = 405744V
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
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Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
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[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
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httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
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[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
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[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
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[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
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[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
60
Del principio de operacioacuten del autotransformador tenemos que sus potencias en cada
devanado son
119896119881119860119886 = 119881119886119868119886
119896119881119860119860 = 119881119860119868119860
Y que la relacioacuten de sus potencias es
119896119881119860119860 = 2119896119881119860119886 = 119881119860119868119860 = 2119881119886119868119886
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
De la relacioacuten de espiras se encuentra
119873119886
119873119860=
119881119886
119881119860=
119868119860
2119868119886
Reemplazando (1) y (6) En la ecuacioacuten anterior se tiene
119868119860
2119868119886=
119881119867119867119904119890119899(1205722)
119881119871minus119871 minus 119881119867119867119904119890119899(1205722)
Reemplazando (4) en la ecuacioacuten anterior
119868119860
2119868119886=
119881119871minus119871
radic3 cos (1205722)
119904119890119899 (1205722)
119881119871minus119871 minus119881119871minus119871
radic3 cos (1205722
)119904119890119899 (
1205722)
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
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Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
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[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
61
119868119860
2119868119886=
119905119886119899(120572
2)
radic3minus119905119886119899(120572
2) (7)
Ahora realizamos el anaacutelisis vectorial de corrientes
FIGURA 22 Diagrama fasorial de Corrientes
11986811986011990411989011989960deg = 119868119871119904119890119899120579
119868119886 + 119868119860cos60deg = 119868119871119888119900119904120579
Dividiendo entre si las ecuaciones anteriores tenemos
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
2119868119886
radic3119868119860
Reemplazando la ecuacioacuten (7) en la expresioacuten anterior encontramos que
119905119886119899120579 =1
1
radic3+
1
radic3(radic3 minus tan (
1205722)
tan (1205722)
)
IA
Ia
IL
60 θ
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
62
Si α=30deg se tiene
120579 = 15deg
Ahora una vez calculado el aacutengulo θ y conociendo que la corriente de carga IL = 30203A para
una potencia de 260kVA y un voltaje de salida de 497V se determina las corrientes de cada
uno de los devanados
119868119860 =119868119871119904119890119899120579
11990411989011989960deg= 90265119860
119868119886 = 119868119871119888119900119904120579 minus 11986811986011988811990011990460deg = 24661
Las anteriores consideraciones se han efectuado para obtener un conjunto de dispositivos y
esquemas de laboratorio que permitieran desarrollar las pruebas sobre los transformadores
Es asiacute que el anaacutelisis teoacuterico y las relaciones matemaacuteticas se han presentado para mostrar
claridad sobre el proceso
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
63
43 PROCEDIMIENTO DE LAS PRUEBAS
Para efectos de realizar las mediciones se utilizaron los siguientes equipos
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 marca
Magnetroacuten
- Phase Shift Transformer tipo autotransformador 260kVA 480497x2 otra marca
- VSD de 260kVA 12 pulsos marca Baker Hughes
- Banco de carga resistivo 700kW LPV700 marca AVTRON
- Analizador de potencia WT230 marca YOKOGAWA
- Fuente de alimentacioacuten de 480V
1 Para determinar si el PST tipo autotransformador cumple con el objetivo
para el cual ha sido instalado en los sistemas ESP es importante conocer
con antelacioacuten cual es el contenido armoacutenico presente en dicho sistema
sin la presencia del autotransformador para lo cual se tiene lo siguiente
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
FIGURA 23 Esquema de medicioacuten 1 (Fuente-VSD-Load Bank)
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
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[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
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[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
64
En el modelo anterior uacutenicamente se cuenta con la fuente que alimenta directamente al
VSD el cual tiene que ser puenteado en sus entradas para poder funcionar como un
rectificador de 6 pulsos Lo anterior se debe a que no se cuenta con el desfase brindado
por el transformador (+15deg-15deg)
Bajo estas condiciones se obtuvo la siguiente distorsioacuten armoacutenica
h Voltaj
e V
Corrien
te A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48499 13761 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 037 293 01 21 0021
29
0000
45
0000
76
0000
00
3 219 163 05 12 0011
85
0000
14
0004
52
0000
02
4 049 052 01 04 0003
78
0000
01
0001
01
0000
00
5 1603 4057 33 295 0294
82
0086
92
0033
05
0001
09
6 032 157 01 11 0011
41
0000
13
0000
66
0000
00
7 208 499 04 36 0036
26
0001
31
0004
29
0000
02
8 027 059 01 04 0004
29
0000
02
0000
56
0000
00
9 116 06 02 04 0004
36
0000
02
0002
39
0000
01
10 03 046 01 03 0003
34
0000
01
0000
62
0000
00
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
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[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
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When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
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petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
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[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
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[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
65
11 1043 1202 22 87 0087
35
0007
63
0021
51
0000
46
12 027 077 01 06 0005
60
0000
03
0000
56
0000
00
13 391 445 08 32 0032
34
0001
05
0008
06
0000
06
14 036 031 01 02 0002
25
0000
01
0000
74
0000
00
15 147 04 03 03 0002
91
0000
01
0003
03
0000
01
0097
74
0001
68
THD(I
)
3126
THD(
v)
410
El estaacutendar internacional IEEE 519 establece que la distorsioacuten armoacutenica total en voltaje
y corriente no debe superar el 50 por eso el anaacutelisis se concentrara en el THD(i) de
corriente que es la variable que presenta desviacioacuten
2 Una vez definida la situacioacuten inicial del sistema la cual genero un THD(i) de 3126 se
procede con la segunda parte del ensayo en esta se involucra el autotransformador en
el sistema
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
66
En este modelo es posible contar con alimentacioacuten independiente para cada entrada
del VSD y ademaacutes desfasada bajo esta condicioacuten la operacioacuten del sistema es de 12
pulsos La medicioacuten se realiza en el mismo punto obteniendo lo siguiente
H Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48171 29138 1000
1000
1000
00 1
1000
00 1
2 478 4412 10 151 0151
42
0022
93
0009
92
00000
98
3 195 74 04 25 0025
40
0000
64
0004
05
00000
16
M
480V
FUENTE DE ALIMENTACION
VARIADOR DE VELOCIDAD BANCO
RESISTIVO
480V
MEDICION
497VX2
PST AUTOTRAFO
FIGURA 24 Esquema de medicioacuten 2 (Fuente-PST-VSD-Load Bank)
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
67
4 285 1803 06 62 0061
88
0003
83
0005
92
00000
35
5 899 3639 19 125 0124
89
0015
60
0018
66
00003
48
6 208 052 04 02 0001
78
0000
00
0004
32
00000
19
7 518 489 11 17 0016
78
0000
28
0010
75
00001
16
8 781 2202 16 76 0075
57
0005
71
0016
21
00002
63
9 136 047 03 02 0001
61
0000
00
0002
82
00000
08
1
0 411 1045 09 36
0035
86
0001
29
0008
53
00000
73
1
1 569 1467 12 50
0050
35
0002
53
0011
81
00001
40
1
2 014 047 00 02
0001
61
0000
00
0000
29
00000
00
1
3 158 039 03 01
0001
34
0000
00
0003
28
00000
11
1
4 355 626 07 21
0021
48
0000
46
0007
37
00000
54
1
5 101 055 02 02
0001
89
0000
00
0002
10
00000
04
0053
29
00011
85
THD(i
)
2308
THD(
v) 344
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
81
0000
14
0001
72
0000
00
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
08
0002
22
0009
91
0000
10
1
2 259 302 05 10
0010
05
0000
10
0005
30
0000
03
1
3 278 202 06 07
0006
72
0000
05
0005
69
0000
03
1
4 252 517 05 17
0017
20
0000
30
0005
16
0000
03
1
5 144 182 03 06
0006
06
0000
04
0002
95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
68
Aun cuando se introdujo el autotransformador en el sistema no se consigue cumplir con
lo establecido por la IEEE519 THDi 50 pero si se obtiene una reduccioacuten con respecto
a lo medido inicialmente en el esquema 1 Esto indica que el equipo si estaacute realizando
una mitigacioacuten de distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente
Para verificar si el resultado de THDi=2308 dado por la configuracioacuten de la conexioacuten
en delta poligonal presenta el mismo comportamiento se decide introducir un
autotransformador de otro fabricante y validar si la distorsioacuten armoacutenica de corriente
obtenida es similar
h Voltaj
e V
Corrient
e A
Voltaje
Corrient
e
Ih
(pu) Ih^2
Vh
(pu) Vh^2
1 48825 30055 1000
1000
1000
00
1000
00
1000
00
1000
00
2 1459 4828 30 161 0160
64
0025
80
0029
88
0000
89
3 512 705 10 23 0023
46
0000
55
0010
49
0000
11
4 056 1795 01 60 0059
72
0003
57
0001
15
0000
00
5 652 3599 13 120 0119
75
0014
34
0013
35
0000
18
6 069 277 01 09 0009
22
0000
08
0001
41
0000
00
7 603 752 12 25 0025
02
0000
63
0012
35
0000
15
8 414 191 08 64 0063
55
0004
04
0008
48
0000
07
9 084 355 02 12 0011
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0 295 1072 06 36
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95
0000
01
0053
12
0001
64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
69
1
0 295 1072 06 36
0035
67
0001
27
0006
04
0000
04
1
1 484 1415 10 47
0047
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22
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2 259 302 05 10
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01
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64
THD(i
)
2305
THD(
v) 405
El THDi obtenido con este equipo es praacutecticamente igual al resultado que entrego el
autotransformador de Magnetroacuten lo cual puede indicar que la topologiacutea usada no estaacute
en capacidad de entregar mayor reduccioacuten a la obtenida
431 Anaacutelisis de resultados de mediciones realizadas en Laboratorio
THD(i)
THD(v)
OBSERVACION
IEEE 519 500 500 ---
SIN PST 3126 410
El sistema se convierte a 6
pulsos
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
70
PST MG 2308 344
El sistema trabaja a 12
pulsos
PST
OTRO 2305 405
El sistema trabaja a 12
pulsos
Seguacuten la tabla anterior la cual es un extracto de un fabricante de VSD quien propone
unos datos tiacutepicos de lo que se deberiacutea obtener en un sistema ESP trabajando a 6 y 12
pulsos
El valor obtenido en la primera medicioacuten (THDi=3126) es muy cercano a lo que
proponen comercialmente sin embargo para 12 pulsos la desviacioacuten es muy grande ya
que se esperariacutea que el sistema contenga una distorsioacuten de corriente entre 10 y 14
lo cual con el autotransformador no se consigue
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
71
FIGURA 25 Autotransformador- VSD -carga 130 KVA
TRANSFORMADOR HEXAFASICO
Una vez definido y analizado los datos del autotransformador se realizaron diferentes
medidas en transformadores hexafasicos para definir queacute modelo es el maacutes oacuteptimo en
cuanto a cumplimiento de THD (i) exigido por norma
Fundamentado en un disentildeo inicial (Fuente-VSD-Load Bank) anteriormente demostrado
en el que se produjo un THD(i) de 3126 se procede con la segunda parte del ensayo
involucrando el transformador hexafasico y se obtiene el resultado de THD(i) de 1113
del cual se concluye que cumple con lo esperado para un sistema de 12 pulsos que en
Distorsion de corriente oscilariacutea entre un 10 y 14
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
72
ENTRADA HEXAFASICO FULL CARGA + VSD
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
73
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
74
FIGURA 26 HEXAFASICO-VSD-CARGA
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
75
ANALISIS DE RESULTADOS
Para poder evidenciar si el transformador estaba realizando mitigacioacuten de armoacutenicos
se decidioacute realizar la primera medicioacuten sin el PST esto con el fin de poder medir el
THD del sistema es importante tener en cuenta que al no estar presente el
transformador la alimentacioacuten al VSD es directa desde la red lo cual implica tener
que puentear las dos entradas del variador y convertirlo en uno de 6 pulsos (paso de
12 pulsos a 6) El THD(i) encontrado bajo estas condiciones fue aprox de 31 lo
cual era un resultado que se esperaba de acuerdo a lo que dice la teoriacutea (ver tabla)
IEEE 519
Para conocer la situacioacuten inicial se procedioacute a incluir el autotransformador en el
sistema y realizar la medicioacuten en el mismo punto es decir en la entrada del PST se
obtuvo un THD(i) del 23 aprox con lo cual se pudo evidenciar que el equipo si
estaba cumpliendo el trabajo de reducir la distorsioacuten armoacutenica pero no con el impacto
que espera seguacuten la tabla de la norma IEEE 519 se esperariacutea que la reduccioacuten fuera
mayor es decir alcanzar valores del 10 ndash 14 ya que seriacutea un dato ideal
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
76
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRAFICO PRUEBAS DE RUTINA
La propuesta del estudio de Distorsion armoacutenica en transformadores se originoacute
en el departamento de Ingenieriacutea de Magnetroacuten Pereira viacutea Virginia Risaralda
y se ejecutoacute luego de agotar todas las opciones anteriormente mencionadas
de las cuales se concluyoacute con el trabajo del Banco Resistivo en los laboratorios
de Zona Franca Tebaida del departamento del Quindiacuteo En estos se
desarrollaban las pruebas de laboratorios de la empresa Magnetroacuten en cuanto
a VSD con apoyo de la empresa Baker Hughes
Para llevar a cabo dicho estudio se enviaron con anterioridad los equipos a
analizar a Magnetroacuten Zona Franca y en conjunto se desarrolloacute la propuesta
que con muchos meses de anterioridad teniacutea su disentildeo real y que se ejecuta
en pruebas de rutina desde el 2014 A continuacioacuten se anexa registro
fotograacutefico de los equipos utilizados en las pruebas como alimentacioacuten banco
resistivo VSD y transformadores con sus diferentes conexiones
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
77
Laboratorio Zona Franca Tebaida Quindiacuteo
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
78
Alimentacioacuten usada para la prueba
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
79
Banco Resistivo
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
80
Variador de velocidad (VSD)
81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
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[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
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[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
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81
Conexioacuten del Autotransformador
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
82
Conexioacuten al VSD y fuente
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
83
CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
51 CONCLUSIONES
Se logroacute evidenciar con las mediciones que la distorsioacuten de voltaje cumple con
lo establecido por la IEEE 519 la cual fue inferior al 5 en todos los casos
Se pudo confirmar que el PST tipo autotransformador si realiza reduccioacuten de la
distorsioacuten armoacutenica tanto de voltaje como de corriente solo que en esta uacuteltima
no se consigue los niveles esperados
El contratiempo maacutes representativo durante la ejecucioacuten de la prueba se
presentoacute con el banco resistivo usado para simular la carga Mientras este
equipo este encendido debe estar refrigerado por un ventilador que hace parte
integral del banco El problema radica en que la frecuencia a la que opera el
ventilador es 60Hz y su alimentacioacuten proviene del VSD esto significa que no se
puede hacer variacioacuten de frecuencia desde el variador lo cual es una praacutectica
muy comuacuten en campo Esto hace que no se pueda evaluar el comportamiento
de los armoacutenicos a diferentes frecuencias especialmente a las que son inferiores
a 60Hz
Es importante la consecucioacuten de especificaciones de distorsioacuten armoacutenica
suministradas por el cliente acerca de lo que espera obtener en el suministro de
los equipos
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
85
REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC317
84
52 RECOMENDACIONES
Se propone el uso de transformadores tipo hexafaacutesicos con devanados
secundarios independientes para mejorar la reduccioacuten en el THDi mientras el
analizador de calidad de energiacutea indica que la THD medida en la entrada del
PST tipo autotransformador es de 23 el transformador hexafaacutesico estaacute por el
orden del 13 Lo anterior significa que el desempentildeo del transformador
hexafaacutesico es mejor en los sistemas ESP y se recomienda su uso como
transformador de entrada en lugar del PST
Para complementar la investigacioacuten a futuro se propone independizar la
alimentacioacuten del ventilador del banco resistivo de manera que las variaciones
de frecuencia del VSD no afecten su funcionamiento
Tambieacuten se propone evaluar los sistemas ESP de 18 y 24 pulsos y verificar si la
distorsioacuten armoacutenica presenta el mismo comportamiento en los equipos de
entrada
Aunque implementar un laboratorio que simule las condiciones de un pozo de
manera maacutes precisa que lo hecho por el banco resistivo requiere de una
inversioacuten muy alta Lo mejor es poder hacer pruebas en campo en pozos que
esteacuten apagados por tener gran cantidad de agua esto seriacutea una propuesta muy
interesante para hacer experimentacioacuten ya que no afecta la produccioacuten normal
de crudo y es lo maacutes cercano a la operacioacuten normal de extraccioacuten de petroacuteleo
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REFERENCIAS
[1] IEEE 519-1992 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in
Electrical Power April 1993
[2] Los armoacutenicos causas consecuencias y soluciones Disponible en
httpbloggesternovacomlos-armonicos-causas-consecuencias-y-soluciones
[3] armoacutenicos efectos diagnoacutesticos y soluciones Disponible en
httpwwwjceeupceduJCEE2009pdf_ponenciesPDFsFornieles_17_11_09_Mpdf
[4]Influencia en cargas no lineales en transformadores de distribucioacuten Disponible en
httpwwwiseesaccomarchivoscargas_no_linealespdf
[5] calidad de energiacutea Disponible en
httpwwwsi3eagovcoPortals0GieDocscalidadpdf
[6] sincronizado con los armoacutenicos de potencia revista ELECTRA Mayo 1995
[7] Armoacutenicos en sistemas de potencia J Arrillaga LI EguiluzUNIVERSIDAD DE
CANTABRIA
[8]Harmonics at the utility industrial interface A Real World Example IEEE Transactions on
industry applications Vol 31 Noviembre 1995
86
[9] Comments on Harmonics the effects on power quality and transformers IEEE Transactions
on industry applications Vol 31 Noviembre 1995
[10] IEEE Recommended Practice for Establishing Transformer Capability
When Supplying Nonsinusoidal Load Currents July 1998
[11] Distribucioacuten de la carga oacuteptima en la red de transmisioacuten Disponible en
httpwwwreinhausencomesdesktopdefaultaspxtabid-15621919_read-4840
[12] Efecto de las armoacutenicas en transformadores y motores Disponible en
httpwwwingunlpeduarsispotLibros202007libroscmevol-102capit20cap-20htm
[13] NTC 1358 Protocolos de pruebas para transformadores Disponible en
httpwwwwmsascodocumentosNormas20sector20electricoTransformadoresNTC135
8PDF
[14] BOMBEO ELECTROSUMERGIBLE (BES)Disponible en httpindustria-
petroleralacomunidadpetroleracom200905bombeo-electrosumergible-beshtml
[15] Tecnologiacuteas en evolucioacuten Bombas eleacutectricas sumergibles Disponible en
httpswwwslbcom~mediaFilesresourcesoilfield_reviewspanish07spr07p34_49pdf
[16] Deteccioacuten y filtrado de armoacutenicos Disponible en
httpautomatacpsunizaresbibliotecaschneiderBTGuia5_Armonicos
[17] Alzate G Luis Alfonso Rios Gonzalez Luis Hernando electroacutenica de potencia
Universidad Tecnoloacutegica de Pereira 1999
[18] NTC 317 electrotecnia Transformadores de potencia y distribucioacuten Terminologiacutea
Disponible en
87
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