Caso de Estudio – Aplicación de Hornos de Inducción

INTRODUCCIÓN

Indianapolis Casting Company (ICC), una fundición ubicada en Indianápolis, Indiana, se contactó con Northeast Power Systems con el deseo de obtener un banco de condensador de un escalón de 13,8 kV 8064 kvar. ICC estaba buscando una entrega rápida de tres semanas debido a los problemas de calidad de energía asociados con el arranque de un horno de inducción multimillonario de 10MW. El fabricante del horno de inducción e ICC dedujeron que los problemas de calidad de energía eran causados por formas de onda de impulsos sucesivos o armónicos creados por el conjunto de circuitos electrónicos de energía del nuevo horno de inducción. El banco de condensador propuesta estaba siendo instalada para atenuar los impulsos sucesivos de línea y los armónicos de orden más alta.

Figura 1 – Problemas de Calidad de Energía asociados con los hornos de inducción se pueden corregir con las series de filtro armónico y bancos de condensadores paralelos.

Debido a la necesidad económica de adquirir el horno en funcionamiento, el proyecto fue altamente visible e involucró ingenieros de Northeast Power Systems, Inc. (NEPSI), la utilidad eléctrica, el fabricante del horno de inducción, ICC e ingenieros contratados por ICC para supervisar el proyecto.

Sistema de Energía de ICC
IICC es abastecido desde dos líneas de transmisión de 132kV de Indianapolis Power and Light (IP&L), como se puede ver en la Figura 2. La tensión de cada una de las líneas cayó a los 13,8kV hasta dos transformadores 24/32/40 MVA (llamados Transformadores de Conducción Norte y Sur). El nuevo horno de inducción está conectado al Conductor Norte a través del Transformador de Conducción Norte. El transformador de Conducción Norte tiene una impedancia de un 9,73%. El conductor Norte y Sur están amarrados a través de una amarra normalmente abierta.

El nuevo horno de inducción está clasificado en 10,0MW y recibe energía desde en Conductor Norte a través de tres transformadores de bobinas de 11,2 MVA con una impedancia de un 5,5%, Además del nuevo horno de inducción, el conductor Norte también alimenta un gran taller mecánico, otros hornos eléctricos, un circuito de distribución de IP&L, y el banco de condensador arreglada de un escalón de 8064 kvar 13,8kV.

Durante el período de puesta en marcha del horno de inducción, ocurrieron problemas eléctricos relacionados con las fallas de aislamiento y la operación indebida de transmisión dañina en el taller mecánico. Estos problemas costaron mucho a ICC, lo cual llevó a la venta eventual del banco de condensador arreglada de 8050 kvar.

Figura 2 – Sistema de Energía de ICC mostrando las típicas tensiones de sistema y flujo de energía.

BATERÍA DE CONDENSADOR SUGERIDA

El banco de condensador sugerida consiste de 21 condensadores de doble casquillo de 9,96kV, 600 kvar conectados en una configuración aislada en Y. Esto contrarresta los 8064 kvar en una tensión de sistema de 13,8kV. Debido a las restricciones de espacio u los requerimientos para una instalación rápida y simple, se eligió un banco bajo gabinete metálico (visto en la Figura 3). El banco de condensador está equipada con un disruptor de circuito de vacío integral de 500 MVA 15kV ABB. Esto permite una conexión directa al Conductor Norte de 13,8kV de ICC. Se proporciona una protección de sobretensión por un relé de sobretensión MDP que posee relés de fallas a tierra y de fase. Se proporciona una detección de fusible quemado por un relé que activará el banco off-line si operan dos o más fusibles de condensadores.

Figura 3 – Foto de un banco de condensador bajo gabinete metálico de 8050 kvar (centro). A la izquierda un banco con gabinete metálico de 1500 kvar y a la derecha un gabinete de conmutador de sincronización para el banco de 8050 kvar. Todos los artículos anteriores fueron fabricados por NEPSI.

PREOCUPACIONES CON LA INSTALACIÓN DE LA BATERÍA DE CONDENSADOR

Durante el proceso de diseño del condensador de NEPSI, hubo tres áreas principales de preocupación relacionadas con la instalación y activación del banco de condensador propuesta.  Las áreas de preocupación principales son las siguientes:

Como parte del proceso de diseño, los ingenieros de los sistemas de energía de NEPSI hicieron una evaluación del sistema de energía para referirse a las preocupaciones anteriores. Se presenta una breve descripción de la evaluación y resultados en el resto de este documento.

Power System Evaluation Results
Voltage range concerns were analyzed with a load flow program, while the notching/ringing problem and harmonic concerns were addressed with a harmonic analysis program.

Cálculos del Flujo de Carga
Varios cálculos de flujo de carga fueron realizados para determinar la tensión de operación del Conductor Norte de 13,8 kV en ICC para varias condiciones de operación. Los cálculos también se realizaron para determinar la posición óptima de la toma fijada. la cual existe en el banco de transformador 132 kV/13,8 kV del Conductor Norte. Se suministra un resumen de los resultados en la Tabla 1, a continuación.

IP&L indicó que su sistema fue diseñado para operar en un rango de +/- 5% en el transformador Norte de ICC primario y/o secundario. La tensión actual es medida para todo el año 1998 clasificó desde los 0,97 a los 1,04 PU con un rango de tensión operacional normal de 1,0 a 1,035 PU. La posición de la toma fue elegida basada en el rango operacional normal de 1,0 a 1,035 PU.

La carga utilizada en los cálculos de flujo de carga fue basada en informes proporcionados por ICC por la primera semana de 1999. Las cagas se basaron en condiciones máximas y mínimas de carga. Se asumió que las condiciones máximas de carga coincidieron todo el tiempo. La condición mínima de carga se asumió como 0 MW y MVARS. Al elegir estas dos condiciones de carga, Se calculó  conservadora máxima y mínima en el sistema.

Casos-1 muestra la tensión de operación del sistema para las condiciones existentes del sistema con el banco de condensador propuesta en línea en 8,064 MVARs. Como se puede ver en la Tabla 1, la tensión en un Conductor Norte de 13,8 kV sube hasta los 1,089 PU o 15,02 kV. Esta tensión está sobre lo que se remienda para una tensión de operación segura bajo el estándar C84 de ANSI para el equipo clasificado con una tensión nominal de 13,8 kV. Resultaría en una descarga disruptiva prematura de aislamiento y una posible falla en el equipo electrónico sensible, el cual es alimentado desde el Conductor Norte. Los otros dos casos bajo el Nombre de Caso-1, muestran que la tensión está dentro del rango operacional seguro tanto para ICC como para IP&L.

Casos-2 muestra los mismos casos que casos-1 pero con el banco de condensador propuesto apagada. Esta condición reflejaría lo que existe en el sistema son condensadores. Como se puede ver en la tabla 1, la tensión aun puede subir a los 1,062 PU con el hecho de que la carga en el conductor Norte es reducida a cero cargas. IP&L indicó que la tensión para 1988 alcanzó un máximo de 1,04 PU.

Las tensiones en nuestra simulación no fueron iguales ya que la carga en ICC se asumió que fue cero, pero de hecho tuvo alguna magnitud, incluso cuando los períodos de baja carga, que llevaría a una cantidad de caída de tensión. Los resultados vistos en la Tabla 1, sin embargo, indican que la tensión puede subir a una tensión inaceptable.

Casos-3 muestra la operación del sistema con el banco de condensador on-line de 8,064 MVAR con los topes en dos posiciones de 135,3 kV. Bajo este escenario de operación, la tensión operacional de 0,941 en una carga total en el Conductor Norte es demasiado bajo para una tensión nominal entregada. La tensión operacional máxima, sin embargo, en el Conductor Norte alcanza una seguridad máxima de 1,03 PU.

Las simulaciones de Casos-4 fueron realizadas para determinar si moviendo los topes sólo una posición mostraría un resultado más favorable. Para una tensión operacional nominal en la utilidad, la tensión en el conductor Norte es de 0,968 PU bajo condiciones de carga máxima con el condensador encendido. Bajo este escenario, la tensión es un poco baja. Sin embargo, se debería notar que IP&L indicó que el rango de tensión normal es de 1,0 PU a 1,035 PU. Si la tensión promedio en el sistema es de 1,018 PU entonces esta tensión bajo condiciones de carga máxima es tolerable en 0,988 PU.

Basado en resultados falsos, NEPSI recomendó que IP&L moviera sus topes de transformadores sobre el transformador Norte del tope existente de 128,7 kV a 132 kV. La tensión máxima puede alcanzar hasta los 1,069 por unidad cuando los bancos de condensadores están encendidas y no haya carga en el Conductor Norte. Basado en este resultado, NEPSI también recomendó que los bancos de condensador sea modificada con un relé de supervisión, el cual monitorea la tensión del conductor y abre el disruptor del condensador si la tensión del sistema excede los 1,05 PU.

Análisis Armónico
Un análisis armónico utilizando un programa de análisis armónico se llevó a cabo en el sistema de ICC para evaluar la probabilidad de la resonancia cuando el banco de condensador es activado. Los escáneres de impedancia fueron desarrollados para mostrar cómo la impedancia del sistema varía con la frecuencia para diferentes configuraciones de sistema. El modelo de sistema incluyó el nuevo banco de condensador, condensadores de distribución, impedancias de sistema de 132 kV y 13,8kV, y cargas de motor ICC y condensadores.

Se hicieron un total de 8 escáneres de impedancias diferentes representando diferentes configuraciones de sistema y están enlistados en la Tabla 2. El escáner de impedancia para el Caso 2A, en la figura 4, muestra que cuando se activa el banco de condensador de 8064 kvar, existe una resonancia cerca del 5º (5,4º armónico). Esta resonancia es sólo una pequeña preocupación, ya que las medidas indican bajos niveles de la corriente del 5º armónico. Si las corrientes del 5º armónico se convierten lo suficientemente altas como para causar cantidades importantes de distorsión de tensión, puede ser necesario eliminar tres condensadores desde el nuevo banco de condensadores (cediendo 6910 kvar y moviendo el punto resonantes al 5,9º armónico).

Figura 4 – Los condensadores activados con un circuito de distribución IP&L conectados al conductor sur

Análisis de Línea de Impulsos Sucesivos y Oscilación
La presencia de distintos análisis de la línea de impulsos sucesivos y oscilación de los hornos de inducción resultó en discusiones de cómo mejorar el filtro de oscilación asociado con el mismo. Es muy probable que la oscilación resulte en cruces doble de cero tensión, que causan que el equipo electrónico sensible opere de mala manera (por ejemplo, controladores de UPS, AC y DC). Esta sección discute el mejor y peor método para reducir la línea de impulsos asociada con el horno de inducción. Al reducir la profundidad de la línea de impulsos, es menos probable que ocurra un cruce de cero tensiones.

La oscilación dentro del anillo, u “oscilación”, es causada al conmutar la acción de las células SCR. Este fenómeno es difícil de predecir, pero normalmente no es un problema si hay un amortiguamiento importante (resistencia) en el sistema. La oscilación es causada por la inductancia de la línea de corriente alterna y la capacidad distribuida, la cual estando paralela tendrá una respuesta de frecuencia natural cuando sea excitada por un cambio de escalón de tensión. La oscilación puede, si no se amortigua de manera correcta, añadir de manera importante (tanto como la profundidad de la línea de impulsos) al total de la profundidad de la línea de impulsos sucesivos.

La predicción o cálculo de la oscilación son muy difíciles u requieren un programa transitorio electromagnético (EMTP). Sin embargo, la profundidad de la línea de impulsos sucesivos se puede calcular fácilmente (ignorando la oscilación). Al mostrar una reducción en la profundidad de la línea de impulsos sucesivos, ocurrirá una reducción correspondiente en la oscilación.

Figura 5 – Escáneres de Impedancia para los cálculos de Aro de muesca

Caso 2 – Sistema con Banco de Condensador Activada
Caso 5 – Sistema con Serie de Filtro Activada
Caso-1 Sistema existente sin un banco de condensadores o serie de filtro armónico.

La muesca en la forma de onda de tensión resulta de dos fases sucesivamente cortadas la una de la otra a medida que la corriente conmuta desde la célula en el rectificador. La línea de impulsos sucesivos ocurre doce veces por ciclo para un rectificador de 12 pulsos. Cuatro de estos impulsos son el doble de los otros ocho. Los impulsos profundos ocurren cuando el corte entre fases a través de la misma fase es medido. Los otros ocho son para la interacción de las fases a medida que conmutan.

La profundidad del impulso se puede calcular analíticamente utilizando el principio divisor de tensión, ya que el impulso de tensión es el resultado de una falla entre fases a través de la impedancia del sistema. Utilizando el modelo de impedancia como se desarrolló en los escáneres armónicos, la profundidad del impulso de tensión se puede calcular. La Figura 5 muestra tres escáneres de impedancia armónica. Los escáneres muestran la impedancia del sistema ICC mirando desde el conductor de 13,8 kV Norte. La impedancia por unidad en el 70º armónico es registrada en cada escáner. Esta impedancia será utilizada como impedancia de fuente del divisor de tensión para determinar la profundidad del impulso sucesivo para varias configuraciones de sistema.

La profundidad del impulso sucesivo para el sistema existente se muestra en el cálculo a continuación. Este fue calculado utilizando el gráfico visto anteriormente y la impedancia del transformador del horno.

Xs: Impedancia de Fuente en el 70º armónico (Desde el Gráfico): 1,082 por unidad

Xt: Impedancia del Transformador de Aislamiento del Horno en el 70º armónico: 70 x (10/11,2) x 0,055 = 3,44 por unidad

% Profundidad de los Impulsos Sucesivos:

Como se puede ver en los resultados anteriores, el banco de condensador por si misma es el medio más efectivo de reducción de la profundidad del impulso sucesivo y la oscilación asociada con el impulso. El filtro armónico no es efectivo ya que el filtro se vuelve inductivo más allá de su punto  de sintonización.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Para evitar tensión excesiva durante las cargas reducidas, NEPSI recomendó que la utilidad moviera el tope del transformador sobre el transformador Norte desde el tope existente de 128,7 kV hasta 132 kV. La máxima tensión puede alcanzar hasta los 1,069 por unidad bajo esta condición de operación cuando el banco de condensadores sea activado y no haya carga en el Conductor Norte. Basados en este resultado, NEPSI recomendó que el banco de condensadores sea modificado con un relé de supervisión que monitoree la tensión del conductor y abra el disruptor de condensador si la tensión excede los 1,05 PU.

La activación del banco de condensadores de 8064 kvar propuesta creará una resonancia cercana al 5,4º armónico sólo de poca preocupación, ya que son sólo de una pequeña cantidad de corriente del 5º armónico inyectada desde ICC. SI las corrientes de inyección son de tal magnitud que causan una alta distorsión de tensión, tres condensadores se pueden remover desde el banco de condensadores para cambiar el punto de resonancia cerca al 5,9º armónico.

El análisis de la línea de impulso sucesivo indica que el banco de condensador reducirá la línea de impulsos desde los 23,9% (sistema existente con circuito de distribución IPL conectado al Conductor Norte) a los 0,52%. Si el banco de condensadores se cambia a una serie de filtro, la habilidad del banco conductor de reducir la línea de impulso será disminuida hasta u  19,6%.

NEPSI recomendó que el banco de condensadores sea instalado y activado. NEPSI también recomendó que tanto las medidas armónicas como las de tensión sean tomadas durante el arranque inicial para revisar condiciones de sistema adversas y para verificar los resultados de este informa.

Para ventas en Latinoamérica:

Ingeniería y Desarrollo Tecnológico S.A.

www.idt.cl
info@idt.cl
teléfono: +56 (2) 719-2200
fax: +56 (2) 742-3934
Contacto: Rodrigo Dünner