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• Ricardo Ojeda

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ESTUDIO DE CALIDAD DE ENERGÍGA PARA EL MEJORAMIENTO DEL SISTEMA ELÉCTRICO ASOCIADO AL LEVANTAMIENTO ARTIFICIAL BCP DEL PROYECTO LAGUNILLAS-LAGO DE LA EMPRESA BCPVEN Beltrán C. José A., Gómez D. Miguel A. Escuela de eléctrica, Facultad de Ingeniería. Universidad Rafael Urdaneta, Zulia-Venezuela. [email protected] , [email protected]. RESUMEN Debido a la disminución progresiva de la productividad ocasionada por paradas en la operación de variadores de frecuencia, causadas por sobretensiones y distorsiones en la red eléctrica de la plataforma BCP-LL-109 de PDVSA, el departamento CILA 2S de la empresa BCPVEN, C.A expuso la necesidad de realizar un estudio de calidad de energía para el mejoramiento del sistema eléctrico del levantamiento artificial BCP. Se investigó sobre las características de las perturbaciones que afectan la calidad de energía eléctrica y se analizaron las normas IEEE std 519-1992, 1159-1995 y C62.41, así como IEC 61000-33 identificando los límites admisibles. Se inició el estudio de calidad de energía recabando información del sistema de distribución, transformadores, variadores de frecuencia y motores eléctricos. Se instalo el registrador Fluke 435-II y se hicieron mediciones en la fuente de alimentación, en el secundario del transformador y después del variador de frecuencia, verificándose el comportamiento del voltaje, corriente y desbalance. Se identificaron perturbaciones relacionadas con armónicos, variaciones de voltaje de corta duración y transitorios; para solventarlas se propuso especificaciones técnicas de supresores de voltaje y dos tipos de filtros pasivos (para armónicos y sinusoidal). La efectividad del filtro de armónicos fue demostrada mediante pruebas Palabras claves: estudio, calidad de energía eléctrica, filtros, supresores de voltaje, levantamiento artificial. POWER QUALITY STUDY FOR THE IMPROVEMENT OF THE ELECTRICAL SYSTEM FROM THE PCP ARTIFICIAL LIFT OF THE LAGUNILLAS-LAGO PROJECT FROM BCPVEN COMPANY. ABSTRACT Due to the progressive decline in productivity caused by stops in VFD because of power surge and distorted mains in BCP-LL-109 platform from PDVSA, the CILA2S Department from BCPVEN, C.A exposed the need for a power quality study for the improvement of artificial lift through PCP electrical system. We investigated the characteristics of the disturbances affecting the energy quality and IEEE Std 519-1992 and 1159-1995 also as

C62.41 and IEC 61000-3-3 were analyzed to identify the permisible limits. The study of power quality started gathering information from the distribution system, transformers, VFD and electrical motors. The fluke 435-II logger was installed and measuments were made in the power supply, in the transformer secundary and after the VFD, verifyng the behavor of the voltaje, current and unbalance. Disruptions related to harmonics, voltage fluctuations and transient short duration were identified. to overcome them specs voltage suppressor and two types of passive filters ( harmonic and sinusoidal) was proposed. The harmonic filter effectiveness was demonstrated by tests. Key words: study, power quality study, filters, voltage suppressors, artificial lift. INTRODUCCIÓN BCPVEN C.A. es una empresa dedicada a la ingeniería, automatización, optimización, fabricación, montaje, instalación y puesta en marcha de equipos de suelo y subsuelo, controladores inteligentes de levantamiento artificial, para el mercado petrolero. Posee dos modalidades de servicio: CILA2S® (controlador inteligente de levantamiento artificial en sub-suelo y superficie), la cual predomina en el occidente del país, este controlador es un variador de frecuencia[1] instalado directamente en el pozo para la extracción de crudo y CIMA2S® (controlador integral de macollas automatizado para subsuelo y superficie), la cual se encuentra instalada en el oriente del país, en el cual se concentran varios CILA2S® y agregando componentes como filtros sinusoidales, filtros de armónicos, centro de distribución de potencia, sistema de transferencia automática de potencia y sistema de protección

[2]

, haciendo más fácil el acceso por parte de los

operadores y el personal para la instalación. En los últimos años se ha venido incrementando los niveles de producción diferida y el consumo de energía para un nivel de producción constante, esto ha llamado la atención de la empresa PDVSA (responsable de la plataforma BCP-LL-109 en la que se realizara el estudio) y BCPVEN (responsable de los equipos que funcionan en esta plataforma)

abriendo la necesidad de realizar un estudio de calidad de energía con el fin de determinar las anomalías presentes y generar una propuesta para solucionarlas. Se necesita realizar un estudio de calidad de energía que sea representativo para el campo Lagunillas-Lago dado que tiene la intención de renovar la modalidad de trabajo actual instalando módulos CIMA2S® buscando estaciones centralizadas, eficientes y seguras para la supervisión de los equipos durante su operación. Para realizar un estudio de calidad de energía es necesario seguir varios pasos

[3]

,

identificar la problemática existente que motiva a realizar el estudio y conocer las consecuencias que trae, caracterizar los problemas a través de mediciones con equipo especializado para el estudio de calidad de energía, evaluar las anomalías encontradas, proponer una solución técnica eléctrica comercial y finalmente evaluar la efectividad de esta solución. Es importante resaltar que para realizar un estudio de calidad de energía se debe utilizar la normativa vigente internacional más estricta con el fin de tener parámetros admisibles controlados para las diferentes anomalías que pueden encontrarse. Un estudio de calidad de energía puede arrojar como resultado la identificación de contenido de armónicos en el sistema (THDi, v o de orden especifico), sobrevoltaje transitorio, variaciones de corta o larga duración en la tensión, entre otros [4]. METODOLOGÍA El estudio se enmarco bajo la modalidad de investigación de tipo descriptiva, diseño documental, campo y no experimental. La población del estudio está representada por equipos como: transformadores de potencia, variadores de frecuencia y motores de inducción del tipo jaula de ardilla correspondiente a los 16 pozos alimentados por la plataforma petrolera BCP-LL-109 ubicada en el estado Zulia específicamente en el Lago de

Maracaibo. La muestra seleccionada fue de tipo intencional pues este conjunto de 5 pozos (LL-1411, LL-766, LL-1302, LL-559 y LL-1426) eran representativos de toda la población relacionada con la plataforma. La recolección de datos fue a través de la observación documental, directa e indirecta así como una entrevista estructurada con preguntas abiertas. Este trabajo de investigación se desarrollo en cuatro (04) fases. La primera consistió en conocer los aspectos normativos de la calidad de energía eléctrica. La segunda se basó en describir el sistema eléctrico de la plataforma bajo estudio. Una tercera relacionada con las mediciones pertinentes para el estudio de calidad de energía y por último, propuesta de soluciones técnicas comerciales para el mejoramiento del sistema. RESULTADOS Aspectos normativos de la calidad de energía eléctrica Para establecer las limitantes de los fenómenos fueron utilizadas normas de la IEEE (Std 1159-1995, 519-1992 y C62.41) y en el caso de los armónicos se usó también la IEC 61000-2-2. La norma IEEE Std.519-1992 establece límites para la distorsión total de corriente (THDi) y la total de voltaje (THDv) a diferencia de la norma IEC 61000 la cual establece límites permitidos para cada orden de armónico, haciendo de esta manera un análisis más específico. En líneas generales la institución IEEE es más estricta en los parámetros admisibles, por ello en la presente investigación fue seleccionada para establecer límites durante el estudio de calidad de energía, habiendo la excepción en cuanto al contenido de armónicos en el cual fueron utilizadas ambas normas; debido a que la IEEE abarca el contenido armónico total y la IEC el contenido de orden especifico, todo ello tomando en

consideración un tema de tanta importancia para el funcionamiento adecuado de las instalaciones eléctricas relacionadas con la extracción de crudo. Descripción del sistema eléctrico de la plataforma petrolera bajo estudio La Plataforma LL-109 se encuentra ubicada en el Lago de Maracaibo, municipio Lagunillas con las coordenadas Este: 235963.369 y Norte: 1136123.445 es alimentada a través de la subestación HTSS - 13L, especialmente diseñada para trabajar en función de la extracción de crudo; posee una barra seccionada alimentada por dos transformadores trifásicos, iguales, de 5MVA y 34.5/12.47KV, como se muestra en la figura 4.2. Alimenta 6 circuitos de distribución para diferentes procesos de extracción de crudo, cada uno con múltiples estaciones; uno de esos circuitos alimenta a la plataforma BCP-LL-109; su sistema eléctrico está compuesto por: un gabinete tipo Switchgear para el manejo de la distribución de la energía eléctrica con niveles de 12.47 kV, dos transformadores de potencia, trifásicos cada uno de 1000 kVA, 12470/480 V; dos Centros de potencia (CDP), con 12 interruptores cada uno y un gabinete de telemetría con PLC. Cada transformador de 1000KVA posee en el secundario un breaker el cual protege una barra, de allí salen varios alimentadores que surten energía a los diferentes equipos CILA2S que controlan la velocidad de los motores que accionan las bombas de cavidad progresiva. Un alimentador puede tener un variador de frecuencia que es el caso del pozo LL-1426, o dos variadores de frecuencia, conectados en paralelo, como ocurre en los pozos LL -1302 y LL-559 así como también en LL-1411 y LL-766.

Características técnicas de equipos eléctricos

Seguidamente se describen los datos técnicos de los equipos eléctricos involucrados en la extracción de crudo, que son los transformadores, el variador de frecuencia y el motor de la bomba de cavidad progresiva. Tabla 2. Datos técnicos de transformadores instalados en la plataforma BCP-LL-109

El variador de frecuencia CILA2S® es fabricado por la empresa BCPVEN, C.A está diseñado para trabajar en uso exterior tanto en tierra como en el lago, con los siguientes valores de potencia eléctrica, software de aplicación y ambiente: potencia 60 HP; alimentación: 480 VAC/60 Hz (47-63 Hz) trifásico; macro de aplicación para bombas de cavidad progresiva (BCP) y modulo PLC.

Figura 1. Gabinete CILA2S® (NEMA 3R) El motor bajo estudio es trifásico, con una potencia de 100HP, de rotor tipo jaula de ardilla, diseñado para la extracción de crudo (oil well pumping), totalmente cerrado con ventilación externa, forma constructiva F2 (horizontal), carcasa tipo 404/5T fabricado por

la empresa WEG, se encuentra instalado en la intemperie acoplado a un sistema de polea y correa. Planificación de actividades del estudio de calidad de energía. Las mediciones se realizaron en los siguientes puntos de medición: salida del breaker que alimenta a los pozos LL-1411 y LL-766, salida del breaker que alimenta a los pozos LL-1302 y LL-559 y salida del variador de frecuencia hacia el motor del pozo LL1426. Donde se realizaron las siguientes mediciones: durante un tiempo de muestreo de aprox. 30 min se registra: voltaje, corriente, THD (v, i), potencia (KVA, KVAR) y posteriormente se instaló el medidor de calidad de energía para identificar fenómenos electromagnéticos en la barra del secundario del TX1 durante dos periodos de medición de 5 horas cada uno. Se realizaron mediciones de voltaje y corriente al secundario del transformador de la plataforma bajo estudio. Estas mediciones fueron realizadas usando un analizador de calidad de energía eléctrica Fluke 435-II el cual contiene características vitales para realizar este estudio, es un multímetro portátil con funciones de osciloscopio; por lo tanto, representa una herramienta muy completa y de fácil traslado hasta el área de trabajo en campo. Medición de fuente de alimentación de la plataforma BCP-LL-109 Se realizaron mediciones de voltaje y corriente en la fuente de alimentación y se determino que están dentro del límite establecido por la norma del 1% para el voltaje y 10% para la corriente.

Figura 2. Mediciones de voltaje en fuente de alimentación

El nivel de desequilibrio encontrado para voltaje (0.036%) no supera el 1% establecido como máximo por IEEE Std. 1159-1995, en consecuencia es aceptable.

Figura 3. Medición de corriente en fuente de alimentación

Debido a que el desequilibrio de corriente registrado (0.59%) no supera el 10% establecido como máximo por la IEEE Std. 1159-1995, ese nivel es aceptable y el sistema trifásico está funcionando en condiciones satisfactorias. Mediciones de contenido armónico Se buscó identificar el contenido de armónicos en voltaje y corriente en distintas etapas de la plataforma LL-109, bajo condiciones operativas normales (alrededor del 60% de la carga). El tiempo de medición fue de 30 minutos en cada etapa y los resultados que excedían en los distintos puntos de medición fueron: Tabla 3. Contenido de armónicos que exceden los valores limitantes por la norma

Se puede observar a través de las tabla 3 los valores fuera del rango limitante de las normas IEEE Std. 519-1992 e IEC 61000-2-2 en los diferentes puntos de medición. Variaciones de corta duración de la tensión registradas En las figuras 4 y 5 se representan las mediciones efectuadas en dos puntos: barra de centro de distribución de potencia conectado al secundario del TX1: Onda A (color rojo) y la salida del variador de frecuencia CILA 2S que alimenta al motor del pozo 1411: Onda B (color azul). La figura 4 ilustra el registro de un periodo equivalente a 716 ms, en ella se observa en la onda A un transitorio de tensión instantáneo el cual tuvo un pico de tensión 620 V (1.29 pu) y luego una caída de tensión momentánea; en la onda B existe una caída de tensión de hasta 280V (0.58 pu).

Figura 4. Variación de corta duración (716ms)

En la figura 5 está representada una interrupción con una duración mayor a 1.624 segundos. Estas perturbaciones pueden ser causadas por la maniobra de un interruptor, un problema en la instalación del usuario, un fallo en la distribución eléctrica; en el ámbito petrolero puede ser causado por la transferencia de carga a otra fuente de alimentación.

Figura 5. Interrupcion de energia (1.624s) En la tabla 4 se representan el registro total de cortes de energía, los cuales el tiempo del corte y el número de ellos han sido capturados del medidor de calidad de energía, mientras que el resto de la información fue tomada del registro de operación del controlador CILA2S. Tabla 4. Registro de cortes de energía

Propuesta de soluciones técnicas comerciales Habiendo analizado los diferentes problemas de calidad de energía presentes en el sistema, se deben tomar medidas para controlar los fenómenos encontrados, tomando como referencia los valores establecidos en la IEEE, ya que la empresa BCP-VEN orienta sus soluciones comerciales preferiblemente bajo ese estándar. a) Filtro para la mitigación de armónicos en la red La selección del filtro más apropiado está regida por varios criterios como son: la corriente capaz de ser soportada por el filtro, el efecto de mitigación que tenga sobre armónicos, su diseño especializado para trabajar con variadores de frecuencia con tecnología de 6 pulsos y ser modelo comercial con disponibilidad en el país. De acuerdo a los criterios mencionados anteriormente se seleccionó el filtro MAPP0128D [5], fabricado por la marca MTE, cuyos datos técnicos se describen en la tabla 5. Tabla 5. Datos técnicos del filtro MAPP0128D seleccionado (MTE, 2014) Hoja de Datos MAPP0128D Max Carga 128 A HP Motor 100 Amp Motor 124 Especificaciones técnicas del servicio de alimentación Carga Rectificador de 6 Pulsos Voltaje de Entrada 480 VAC +/- 10%, Trifásico Hz de entrada 60 Hz +0,75Hz Max Desbalance 1% Max impedancia de fuente 6% Min impedancia de fuente 1,50% Factor de servicio 1 150% por 1 minuto a 10% reducción de voltaje de salida del Sobrecarga voltaje nominal

b) Filtro sinusoidal Tomando en cuenta que: el variador de frecuencia controla un motor de 100HP, su alimentación es de 480 V a una frecuencia de 60 Hz, la corriente máxima del motor 125 A

y que el tipo de encerramiento puede ser de tipo abierto debido a que BCPVEN, C.A adecua un gabinete especial para resguardar el filtro. En consecuencia utilizando la codificación anterior, es seleccionado el filtro modelo SWAP0130D de la marca MTE [6], sus datos técnicos se encuentran en la tabla 6. Tabla 6. Datos técnicos de filtro sinusoidal MTE seleccionado (MTE, 2014)

c) Supresor de voltaje Para seleccionar el dispositivo TVSS se consideró también lo siguiente: alimentación trifásica en 480 V, corriente de corto circuito 1.2 KA y que este debidamente protegido debido a su alta exposición con el medio ambiente. Trabajando con el equipo técnico y el departamento de compras de BCPVEN se llegó a la selección del supresor de sobretensión modelo LA-ST120-3N4C

[7]

tipo C3 del

fabricante SineTamer, los datos técnicos se encuentran en la tabla 7. Tabla 7. Datos técnicos del TVSS seleccionado (SineTamer, 2014).

Validación de propuesta de filtro de armónicos Consistió básicamente en observar el comportamiento del variador de frecuencia CILA2S en presencia de cortes de energía controlados a diferentes niveles de carga con una

duración igual o mayor a 1000 milisegundos, utilizando como instrumento la lógica de un controlador programable (PLC) y elementos de corte de energía eléctrica (contactor de potencia y relé de disparo de contactor) En la figura 7 se puede observar el diagrama de conexión trifásico del sistema que controla las interrupciones durante la prueba. El contactor de potencia será el elemento que realizará los cortes de energía a través del control de un PLC interrumpiendo la alimentación eléctrica del variador CILA2S.

Figura 7. Diagrama de conexión del módulo PLC, relé de disparo y contactor de potencia

La mitigación de armónicos fue exitosa en la implementación del filtro, encontrando una reducción del contenido de armónicos amplia descrita en la tabla 8. Tabla 8. Porcentaje de reducción con la aplicación del filtro de armónicos.

Variable

Porcentaje de Carga Drive Inom = 125 Amp. 50%

60%

70%

THDi (Ent)

81%

79%

88%

THDv (Ent)

0

20%

0

THDi (Out)

29,14%

49,61%

30,33%

THDv (OUT)

33,33%

3,57%

3,84%

FP

73,86%

18,47%

11,57%

CONCLUSIONES 

Los aspectos técnicos asociados a los problemas de calidad de energía son variados y definen claramente el comportamiento de los mismos.



Para evaluar los resultados de un estudio de calidad de energía en instalaciones petroleras es necesario considerar tanto la norma IEEE como IEC.



La norma IEEE establece límites para la distorsión armónico total y la IEC señala límites para el contenido de armónicos individual.



El estudio de calidad de energía presento limitaciones.



Las caídas de tensión detectadas fueron menores a 1 segundo y los cortes de tensión mayores a 1 segundo, con presencia de sobretensiones al momento del cierre posterior.



El contenido de armónicos registrado en la corriente excede el límite de distorsión total para la corriente.



Los resultados del estudio de calidad de energía se considera confiable.



Las especificaciones técnicas del TVSS y de los filtros sinusoidales y armónicos propuestos en esta investigación, son soluciones técnicas pertinentes para solventar los problemas encontrados.



El filtro de armónico seleccionado, es efectivo en la mitigación de esta anomalía.

AGRADECIMIENTOS Esta investigación se realizó gracias al apoyo logístico y técnico brindado por el personal adscrito a BCPVEN OCCIDENTE, específicamente al Departamento CILA2S

específicamente a la Gerencia de Operaciones. A la Universidad Rafael Urdaneta, específicamente a la Profesora Nancy Mora por brindar todas las herramientas, capacitación y ayuda, trasmitiendo todo los conocimientos necesarios para el desarrollo de este estudio.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS [1] Fraile Mora, Jesus (2008). Máquinas Eléctricas (6ª Edición). MCGRAW-HILL. INTERAMERICANA DE ESPAÑA, S.A.

[2] Westinghouse Electric Corporation. (1964). Electrical transmission and distribution reference book. (4ta ed.). Pittsburgh. [3] Dugan, McGranaghan, Santoso y Beaty (2004). Electrical Power System Quality (2da Edición). MCGRAW-HILL.. [4] Schneider Electric. Cuaderno Técnico (2004). 199-V3. [5] MTE. Catalogo (2014). MAP Filter. [6] MTE. Catalogo (2014). Sine Wave 2-8kHz Series A Filter TR. [7] SineTamer. Catalogo (2014). Serie Plus