Artículo Académico/ Academic Paper
Recibido: 23-04-2023, Aprobado tras revisión: 14-06-2023
Forma sugerida de citación: Monga, D. (2023). “Determinación de los Indicadores de Calidad Energética para el Caso de un
Usuario Conectado en Media Tensión”. Revista Técnica “energía”. No. 20, Issue I, Pp. 9-15
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
Doi: https://doi.org/10.37116/revistaenergia.v20.n1.2023.578
© 2023 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Determination of Energy Quality Indicators for the Case of a User Connected
in Medium Voltage
Determinación de los Indicadores de Calidad Energética para el Caso de un
Usuario Conectado en Media Tensión
D. P. Monga1
1Universidad Técnica Estatal de Quevedo, Quevedo, Ecuador
dmongas@uteq.edu.ec
Abstract
The purpose of this study was to determine the
energy quality parameters in the system of an
industrial user connected in medium voltage, which
registered penalties from the local distributor for
failing to comply with minimum quality parameters.
An energy audit was carried out according to
regulation No. ARCERNNR 002/20; monitoring the
system with a FLUKE network analyzer, showing
flickers greater than 1, harmonic distortion of up to
36% and average power factor of 0.84 during 50%
of the records obtained. The ETAP software was
used to analyze the load flows, registering voltage
variations of up to 26%. According to the results
obtained, improvements were proposed such as;
load redistribution, power factor compensation,
harmonics and use of solar energy, actions verified
through DIALux and ETAP. With the analysis and
proposals raised, it is proposed to substantially
improve the energy performance of the user.
Resumen
El propósito del presente estudio fue determinar los
parámetros de calidad energética en el sistema de un
usuario industrial conectado en media tensión, el
cual registraba penalizaciones por parte de la
distribuidora local por incumplir con parámetros
mínimos de calidad. Se ejecutó una auditoría
energética acorde a la regulación Nro. ARCERNNR
002/20; monitoreando el sistema con un analizador
de redes FLUKE, evidenciándose flickers superiores
a 1, distorsión armónica de hasta el 36% y factor de
potencia promedio de 0,84 durante el 50% de los
registros obtenidos. Se empleó el software ETAP
para analizar los flujos de carga, registrándose
variaciones de tensión de hasta el 26%. De acuerdo
a los resultados obtenidos, se propuso mejoras como;
redistribución de carga, compensación del factor de
potencia, armónicos y aprovechamiento de energía
solar, acciones comprobadas mediante DIALux y
ETAP. Con el análisis y propuestas planteadas, se
propone mejorar sustancialmente el desempeño
energético del usuario.
Index terms−− ARCERNNR 002/20, Energy Audit,
ETAP, PowerLog.
Palabras clave−− ARCERNNR 002/20, Auditoría
Energética, ETAP, PowerLog
9
Edición No. 20, Issue I, Julio 2023
1. INTRODUCCIÓN
A lo largo del tiempo, se ha ido buscando
continuamente priorizar el cuidado medioambiental
durante la ejecución de actividades industriales alrededor
del mundo, actividades que están estrechamente
relacionadas con el uso de energías, por ello se han
establecido y acordado protocolos y tratados que tienen
como propósito fundamental el precautelar el recurso
ambiental mediante la reducción de la emisión de gases
efecto invernadero, con acciones afirmativas como la
implementación de energías renovables, el uso de
equipos eficientes, educación energética, optimización
de los tiempos operacionales, entre otros [1].
A la par, se han ido desarrollando y estableciendo
estrategias orientadas a mejorar el desempeño energético
de las industrias durante la ejecución de dichas
actividades, esto mediante la implementación de
normativas y procedimientos técnicos a los que toda
entidad debe regirse para su calificación periódica, en el
ámbito energético resulta muy eficientice la norma ISO
50001 [2].
De acuerdo a la regulación No. ARCERNNR 002/20,
todo consumidor de la categoría general conectado en
media tensión; deberá cumplir con los parámetros
mínimos establecidos en cuanto a: niveles de tensión,
distorsión armónica total de voltaje y corriente, factor de
potencia, flickers y frecuencia. Pudiendo la empresa
distribuidora multar e incluso suspender temporalmente
la provisión de servicio eléctrico al usuario mientras este
compense los desequilibrios existentes en las magnitudes
energéticas de su sistema con respecto al rango de valores
permitidos [3].
En cuanto a los niveles de iluminación, la normativa
de seguridad ocupacional [4], establece los niveles
mínimos que deberán cumplirse para las diferentes
actividades con el fin de garantizar el confort y la
integridad de los usuarios en cada entorno.
Durante la ejecución del diagnóstico energético en
una entidad, se deberá considerar la antigüedad,
procedencia, frecuencia de mantenimiento y
características de los insumos existentes [5].
Debido a ello el propósito principal de la presente
investigación fue evaluar la situación del sistema
energético de un usuario conectado en media tensión,
mediante el levantamiento de información y el monitoreo
de variables eléctricas, para posteriormente comparar los
datos obtenidos con respecto a lo estipulado en la
regulación antes mencionada. Consecuentemente se
buscó plantear soluciones de mejora a dichos problemas
y establecer estrategias orientadas a la mejora del
desempeño energético de la industria, adicionalmente
dichas mejoras fueron puestas a prueba con el objetivo de
comprobar la teoría y garantizar la eficiencia de las
mismas mediante el uso de softwares [6], [7].
2. DESARROLLO
La presente investigación se ejecutó mediate una
auditoria energética y consta de 4 etapas consecutivas
como se muestra en el flujograma de la Fig. 1.
Figura 1: Flujograma de la Investigación
2.1. Información de Campo
Se determinó que la potencia instalada por el usuario
es de 114600 W, además ese empleó un diagrama de
Pareto para la identificación de los usuarios significativos
en el sistema (USEn), en donde se observa que los 6
primeros activos inciden en los aumentos de consumo
energético como se muestra en la Fig. 2.
Figura 2: Usuarios Significativos Energéticos
10
Monga D. / Determinación de los Indicadores de Calidad Energética para el Caso de un Usuario en Media Tensión
2.2. Análisis de Carga
Se procedió a monitorear el sistema en las barras
principales de los transformadores de distribución con los
que cuenta el usuario, acorde a lo estipulado en la
regulación No. ARCERNNR 002/20, empleándose un
analizador de redes FLUKE 435 [8], durante 7 días con
mediciones en intervalos de 10 minutos [3]. Los
resultados se analizarán en el software PowerLog [8].
A. Equipo de transformación I (T-I)
Transformador trifásico de 125 kVA, conectado en
media tensión a la red de distribución, relación de
transformación 13,8/0,22 kV y conexión Delta – Yn, en
la Fig. 3 se observa el consumo energético característico
en el trafo durante una semana de trabajo.
Figura 3: Consumo Energético Durante una Semana en el T-I
Niveles de Tensión
A lo largo de la medición, se registró valores fuera del
8% permitido para variaciones de tensión [3], sin
embargo, en ninguna de las fases se registra una
incidencia igual o mayor al 5% (ver tabla 1).
Tabla 1: Variaciones de Tensión en el T-I
Fase
Nivel
Máx.
(V)
Nivel
Mín.
(V)
Sucesos
(%)
Cumple
L1
132,30
111,90
56
1,80
Si
L2
133,30
112,90
45
1,50
Si
L3
133,90
113,20
45
1,50
Si
Distorsión Armónica Total (THD%)
En la tabla 2 se observa que ninguna de las fases
mostró magnitudes fuera de rango en cuanto a distorsión
armónica total de voltaje, sin embargo, en cuanto a
distorsión armónica total de corriente sucede lo opuesto.
Tabla 2: Distorsión Armónica Total en el T-I
THD Voltaje
% Máx.
% Mín.
Lím. (%)
Cumple
2,40
0,30
8,00
Si
2,70
0,60
8,00
Si
2,70
0,40
8,00
Si
THD Corriente
% Máx.
% Mín.
Lím. (%)
Cumple
21,30
5,10
8,00
No
36,50
5,40
8,00
No
19,60
2,10
8,00
No
Factor de potencia
En la Fig. 4 se observa la variación del factor de
potencia en el transformador I, en donde se evidencia
varias mediciones con magnitudes menores al valor
mínimo permitido 0,92 [3].
Figura 4: Fp en el T- I
En la tabla 3 se observa la tabulación promedio de los
valores obtenidos con respecto al factor de potencia
durante la medición.
Tabla 3: fp en el T-I
Fase
fp
máx.
fp
prom.
Suces.
%
Cum
ple
L1
1
0,84
730
71,40
No
L2
1
0,87
534
52,30
No
L3
1
0,85
630
61,60
No
Tot.
0,98
0,85
600
50,70
No
Flickers
Se obtuvieron valores de Pst superiores a 1 en al
menos el 80% de mediciones, por lo que no se cumple
con lo estipulado en la regulación, ver Fig. 5.
Figura 5: Pst en el T-I
Equipo de transformación II (T-II)
Transformador trifásico de 75 kVA, conectado en
media tensión a la red de distribución, relación de
transformación 13,8/0,22 kV y conexión Delta – Yn, en
la Fig. 6 se observa el consumo energético característico
en el trafo durante una semana de trabajo.
11
Edición No. 20, Issue I, Julio 2023
Figura 6: Consumo Energético Durante una Semana Típica de
Trabajo T-II
Niveles de Tensión
A lo largo de la medición, se registró valores fuera del
8% permitido para variaciones de tensión [3], sin
embargo, en ninguna de las fases se registra una
incidencia igual o mayor al 5% (ver tabla 4).
Tabla 4: Variaciones de Tensión T-II
Fase
Nivel
Máx.
(V)
Nivel
Mín.
(V)
Sucesos
(%)
Cumple
L1
132,90
113,20
1
0,03
Si
L2
133,20
120,20
0
0,00
Si
L3
109,80
109,30
2
0,06
Si
Distorsión Armónica Total (THD%)
En la tabla 5 se observa que ninguna de las fases
mostró magnitudes fuera de rango en cuanto a distorsión
armónica total de voltaje y de corriente.
Tabla 5: Distorsión Armónica Total en el T-II
THD Voltaje
% Máx.
% Mín.
Lím. (%)
Cumple
1,50
0,40
8,00
Si
1,50
0,40
8,00
Si
1,60
0,40
8,00
Si
THD Corriente
% Máx.
% Mín.
Lím. (%)
Cumple
5,50
1,90
8,00
No
6,30
1,60
8,00
No
4,80
1,80
8,00
No
Factor de potencia
En la Fig. 7 se observa la variación del factor de
potencia en el transformador I, en donde se evidencia
valores aceptables dentro del rango permitido 0,92 [3].
Figura 7: Fp en el T- II
En la tabla 6 se observa la tabulación promedio de los
valores obtenidos con respecto al factor de potencia
durante la medición.
Tabla 6: fp en el T-II
Fase
fp
máx.
fp
prom.
Suces.
%
Cum
ple
L1
0,99
0,97
3
0,30
No
L2
0,99
0,95
125
12,30
No
L3
0,99
0,95
43
4,23
No
Tot.
0,99
0,96
29
2,86
No
Flickers
Se obtuvieron valores de Pst superiores a 1 en al
menos el 80% de mediciones, por lo que no se cumple
con lo estipulado en la regulación, ver Fig. 8.
Figura 8: Pst en el T-II
2.3. Medición de los Niveles de Iluminación
Descripción del Sistema
El sistema se encontraba conformado en un 70% por
lámparas fluorescentes, la infraestructura del lugar está
conformada por cubiertas metálicas en configuración en
pendiente, lo cual hace factible la implementación de
elementos de iluminación alternativos como tubos
solares y cubiertas tipo traslucida.
De manera que se realizó mediciones de iluminación
con un luxómetro digital, determinándose que en el 50%
de los ambientes en estudio no cumplían con los niveles
mínimos permitidos [4], como se muestra en la tabla 7.
Tabla 7: Medición de los Niveles de Iluminación en los Ambientes
Área
Medición
Realizada
[LUX]
Nivel Mín.
Permitido
[LUX]
Cumple
Almacenamiento
125
140
No
Administrativo
253
300
No
Laboratorios
700
300
Si
Producción
223
200
Si
Comercial
103
200
No
Calderas
260
100
Si
2.4. Modelamiento del Sistema
En base a la información estructural del sistema
obtenida del levantamiento de carga y en función a los
12
Monga D. / Determinación de los Indicadores de Calidad Energética para el Caso de un Usuario en Media Tensión
valores de potencia y demanda analizados en PowerLog
y provenientes del analizador de redes FLUKE, Se
procedió a configurar y simular el sistema eléctrico del
usuario en el software ETAP, determinándose que el
63,64% de barras presentan variaciones de tensión
inadecuadas y el 50% de conductores se encuentran
sobrecargados, ambas circunstancias en condiciones a
plena carga. En la Fig. 9 se muestra la simulación del
sistema.
Figura 9: Simulación del Sistema Actual
2.5. Oportunidades de Mejora
En la tabla 8 se detallan las oportunidades de mejora
planteadas con el propósito de mejorar el desempeño
energético de la industria.
Tabla 8. Oportunidades de Mejora
Mejora
Desarrollo
Observación
Balance de
carga
Se prevé distribuir
equitativamente la carga de
del usuario en cada una de
las fases del sistema con el
propósito de eliminar la
sobrecarga existente en
conductores y barras.
Se
comprobará
mediante
software.
Ahorro
energético en
iluminación.
Se prevé renovar el sistema
de iluminación a tecnología
led y aprovechar la energía
lumínica natural, para
reducir el consumo
energético por concepto de
iluminación en un 30%.
Se
comprobará
mediante
software.
Corrección
del factor del
fp
Se prevé implementar un
banco de capacitores para
corregir el exceso de
potencia reactiva en el
transformador I
Se
dimensionar
án los
componentes
.
Análisis
financiero
El tiempo de retorno de la
inversión deberá ser igual o
menor a 4 años.
Se
determinará
el tiempo.
3. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
3.1. Análisis de Resultados
A continuación, se analiza cada una de las mejoras
planteadas al sistema.
Balance de carga
Se distribuyó equitativamente las cargas en las fases
del sistema, para posteriormente ser simulado,
obteniéndose variaciones inferiores al 8% en cuanto a
niveles de tensión y corrientes inferiores a la capacidad
nominal de los conductores del sistema, lo cual se
muestra en la Fig. 10.
Figura 10: Simulación de Mejoras en ETAP
Iluminación
Se empleó el software DIALux con el propósito de
simular el entorno de la industria con la implementación
de traslucidos que aporten al ingreso de energía lumínica
natural al ambiente, con lo que se obtuvo un ahorro del
30% con respecto al sistema actual, ver Fig. 11.
Figura 11: Simulación de Mejoras en DIALux
En la Fig. 12 se muestran los resultados de la
simulación, en donde se observa que absolutamente todos
los espacios del ambiente cumplen con el nivel mínimo
de iluminación necesario 200 lux [4].
Figura 12: Resultados de la simulación en DIALux
13
Edición No. 20, Issue I, Julio 2023
Corrección del fp
Con el uso de la ecuación (1), se dimensionó el banco
de capacitores necesario para corregir el factor de
potencia del T-I.
Datos preliminares:
Pinstalada = 300 kW
Proyección futura de aumento de cargas = 15%
Pinstalada proyectada = 345 kW
fp actual = 0,84
fp mínimo deseado = 0,92
Factor K seleccionado de tablas = 0,217 [9]
QB.Cap = Pinst. proyectada ∙ K (1)
QB.Cap = 345 ∙ 0,217
QB.Cap = 75 kVAR
Se determinó una potencia reactiva de 75 kVAR
como magnitud necesaria para compensar el factor de
potencia en el transformador, de manera que se ubicará
15 kVAR en cada fase con lo que se obtendrá un factor
de potencia adecuado dentro de la normativa.
Periodo de recuperación
Con la implementación de las propuestas, se espera
un ahorro de al menos el 5% con respecto al rubro
cancelado por concepto de consumo de energía eléctrica
por parte del usuario en el año previo al presente estudio.
Mediante la ecuación (2) se puede determinar el periodo
de recuperación de la inversión.
PRI = Inversión Inicial
Ahorros Anuales (2)
PRI = 6013,15
1474
PRI = 4 años
3.2. Discusión de Resultados
En concordancia a los datos obtenidos desde el
analizador de redes; se puede determinar que la segunda
fase del sistema se encontraba con una magnitud de carga
prácticamente nula, lo cual ocasionaba problemas como:
desbalances en el sistema y puntos calientes, sin embargo
con la propuesta planteada para el balanceo de carga se
ha evidenciado mediante la simulación que el resultado
sería totalmente eficiente; reduciéndose las variaciones
de tensión en las barras del sistema a valores inferiores al
8% y las corrientes en los conductores eléctricos llegando
a valores por debajo de su capacidad, todo ello aporta al
desempeño óptimo del sistema.
El aporte de energía lumínica natural significa un
ahorro de al menos el 30% de consumo energético, las
ondas de iluminación mostradas en el resultado de la
simulación, muestran que en toda el área y perímetro de
los ambientes se cumple con el nivel mínimo de
iluminación establecido 200 lux para actividades
industriales.
El factor de potencia es un parámetro que significa
pérdidas en el sistema y que ocasiona operaciones
anormales que resultan en afectación al control de la
distribuidora del servicio eléctrico, por lo que en el
transcurso de la investigación se evidenció los rubros
significativos que la industria cancelaba por un bajo
factor de potencia, rubros que podrían fácilmente cubrir
los montos necesarios para la implementación del banco
de capacitores necesario para corregir dicho parámetro.
Con el análisis realizado se logró importantes aportes
en la búsqueda de la mejora continua en el desempeño
energético de la industria, ahora la misma cuenta con
diagramas eléctricos que servirán como guía y facilitarán
actividades de mantenimiento, así mismo ahora se
conoce la estructuración del sistema eléctrico para que en
casos de incrementos de carga, el ingreso al sistema se lo
haga de manera balanceada.
Las mejoras son factibles debido a que el periodo de
recuperación de la inversión no supera el lapso de 4 años,
con lo que se confirma la fiabilidad de las propuestas
desde el aspecto financiero.
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Con el balance de cargas se garantiza variaciones de
tensión menores al 8%, así mismo ninguno de los
conductores y barras del sistema excederán su capacidad
nominal y se prioriza la integridad de los activos y el
desempeño energético.
El reemplazo de lámparas e inclusión de sistemas
alternativos de iluminación garantiza el ahorro del 30%
en lo que respecta a consumo eléctrico por iluminación y
garantiza al menos los niveles mínimos de iluminación
en cada ambiente con lo que a la par se garantiza también
el confort del usuario.
Con la implementación del banco de capacitores y su
compensación reactiva, se garantiza un factor de potencia
igual o mayor a 0,92 con lo que se soluciona el problema
de sanciones con la distribuidora y se gana eficiencia
energética en el sistema.
Las propuestas planteadas han sido verificadas y
comprobadas mediante software, el tiempo de
recuperación de la inversión destinada a las mismas es de
4 años, con lo que se cumple con lo establecido en la
teoría financiera.
Se deben efectuar mantenimientos y mediciones al
sistema con una frecuencia anual como mínimo para
garantizar la vida útil y desempeño de activos.
Se sugiere automatizar los servicios de iluminación y
otros con el objetivo de tener una industria inteligente y
sustentable, lo cual resulte en ahorro energético.
14
Monga D. / Determinación de los Indicadores de Calidad Energética para el Caso de un Usuario en Media Tensión
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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climático y protocolo de Kioto. Ciencia y
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CAMPUS” DE LA UNIVERSIDAD
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Politécnica Salesiana, Guayaquil, 2010.
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distribución usando modelos de regresión lineal».
http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_artt
ext&pid=S0123-921X2016000200003
Diego Monga. - Nació en
Latacunga, Ecuador en 1992.
Recibió su título de Ingeniero
Electromecánico de la Universidad
de las Fuerzas Armadas ESPE en
2018, obtuvo el grado de Magister
en Electricidad mención Sistemas
Eléctricos de Potencia en la
Universidad Técnica de Cotopaxi en 2021. Sus campos
de investigación están relacionados con el Análisis de
Sistemas Eléctricos de Potencia, Energías Renovables,
Eficiencia Energética y Distribución.
15