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INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS MONTERREY DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA

“METODOLOGÍA PARA EL ANÁLISIS Y REDUCCIÓN DE PÉRDIDAS EN REDES DE DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA”

TESIS PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE: MAESTRO EN CIENCIAS ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA ENERGÉTICA

CARLOS ALBERTO LEGORRETA HERNÁNDEZ

MONTERREY, N.L.

JULIO DE 2009

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INSTITUTO TECNOLÓGICO Y ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS MONTERREY DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA Los miembros del Comité de Tesis recomendamos que la presente Tesis del Ingeniero Carlos Alberto Legorreta Hernández sea aceptada como requisito parcial para obtener el grado académico de Maestro en Ciencias con especialidad en: INGENIERÍA ENERGÉTICA Comité de Tesis

_____________________________ M.C. Jesús Antonio Báez Moreno Asesor

_____________________________ PhD. Armado Llamas Terrés Sinodal

______________________________ M.C. Enrrique L. Cervantes Jamarillo Sinodal

APROBADO _________________________________ Dr. Joaquín Acevedo Mascarúa Director de Investigación y Posgrado

Julio de 2009

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DEDICATORIA

Dedico esta tesis a:

Mis abuelos José Legorreta, Carlota Soberaniz Y Aurora Guzmán

A mi Esposa Merle Ma. Gpe. y mis hijos José Carlos, Diego Alberto y Merle Scarlete

A mi madre Leonor Armenta Guzmán y hermanas Verónica Ofelia, Magali Gisela y Sofía Leonor.

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AGRADECIMIENTOS

Principalmente gracias a Dios por todas las bendiciones que me ha dado en mi vida, y por haberme permitido alcanzar este logro profesional. A mis padres por haberme formado a lo largo de mi vida e inculcarme los valores y principios así como inspirarme para mi desarrollo profesional, en especial a mi madre por el apoyo brindado. A mi esposa Merle por haberme apoyado en esta etapa profesional de mi vida, agradeciendo enormemente el esfuerzo realizado en el cuidado de nuestros hijos, en los momentos de mi ausencia. A mis maestros del Instituto Tecnológico de Monterrey, que a lo largo de la carrera nos enseñaron con esmero y dedicación sus conocimientos, aún y cuando ésta fue a distancia, creo que el objetivo se logró, y como alumno les comento que esto no fue impedimento alguno, ya que por la atención brindada, pareciera que esta fue de manera presencial. A mi empresa Comisión Federal de Electricidad, y los altos directivos por haberme dado la oportunidad de seguir estudiando, y cumplir unos de mis sueños y objetivos trazados en mi vida. A mi asesor el MC Jesús Báez Moreno por dedicarme parte de su tiempo en la asesoría y motivación para el desarrollo de mi tesis, así como gracias a mis sinodales Dr. Armando Llamas Terrés y MC Enrrique Luis Cervantes Jamarillo, por sus consejos y observaciones que me ayudaron a enriquecer mi trabajo final de tesis. En general gracias a todos los integrantes del Centro de Estudio de Energía, del Tecnológico por su amabilidad y confianza que me brindaron en mi estancia en el Tecnológico, esto habla bien de lo profesionales y buenas personas que son.

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RESUMEN

En la actualidad, las empresas dedicadas a la venta de energía eléctrica deben ser altamente competitivas y eficientes, tanto en el área técnica como administrativa. El mercado energético exige que las empresas brinden un servicio de calidad y realmente confiable, con mínimos costos y pérdidas para tener una rentabilidad que les permita tener su crecimiento de una forma sostenible y planificada. Es evidente que la Comisión Federal de Electricidad (CFE) ha venido trabajando en la reducción de las pérdidas de energía, éstas pueden ser originadas por varias razones: usos ilícitos, líneas sobrecargadas, redes mal configuradas, transformadores de distribución con bajo factor de utilización, etc., que en conjunto producen una gran pérdida anual. Uno de los principales objetivos del área de planeación es la reducción de las pérdidas de energía en el sistema eléctrico de distribución (SED), por lo que el presente trabajo de tesis se enfoca a la estimación de estas pérdidas así como a su análisis, para finalmente realizar propuestas de reducción de las mismas. En el Capítulo 1 se define que el área de estudio es la Zona Tampico perteneciente a la División de Distribución Golfo Centro, asimismo se muestra en forma general el balance de energía que da por resultado una pérdida de energía en el 2007 de 148,932 MWh, que representa el 5.07 % de la energía total recibida. Esta energía perdida esta dividida en pérdidas no técnicas (27%) y técnicas (73%). De acuerdo a la estimación de pérdidas de energía por elemento del SED, los elementos que más contribuyen a las pérdidas de energía totales son las líneas de baja tensión (33.32%) y los transformadores de distribución (22.51%). El objetivo de esta tesis es presentar una metodología para el análisis de pérdidas de energía en redes de distribución de energía eléctrica y desarrollar un algoritmo y un programa computacional que facilite la evaluación y optimización de dichas redes. En el Capítulo 2 se analizan las pérdidas en los transformadores de distribución utilizando la metodología establecida en el “Procedimiento para la determinación de pérdidas de energía en el Sistema Eléctrico de Distribución” (PESED) [2]. Al realizar el análisis de pérdidas de los transformadores de distribución se encontró que el 85% de las pérdidas de energía corresponde a pérdidas en el hierro, esto es debido a un sobre dimensionamiento en la capacidad instalada. En la Zona Tampico, a diciembre 2007, se cuenta

6 con 14,760 transformadores de distribución con una capacidad instalada de 646 MVA y alimentan a una demanda máxima de 221 MW, con un factor de potencia promedio de 0.93. La única opción para reducir las pérdidas actuales en los trasformadores de distribución sería el cambiarlos por una capacidad menor que este acorde a la demanda que alimentan, pero de acuerdo a los estudios realizados se demuestra que esta acción no es económicamente recomendable. Lo que se puede evitar es que estas pérdidas sigan creciendo, para ello resulta importante el estudio del comportamiento de la carga para conocer por tipo de usuarios las demandas máximas coincidentes y los factores de carga y de potencia característicos, que servirán para el cálculo de la capacidad óptima de los nuevos transformadores de distribución a instalar en la red. En la parte final del capítulo 2 se realizan estudios del comportamiento de la carga en 3 áreas muestreadas: residencial bajo, medio y alto, asimismo se calculan los rangos económicos de carga de los transformadores de distribución donde se demuestra que los transformadores autoprotegidos no son rentables actualmente por su alto costo. En el Capítulo 3 se estudian las diferentes tipos de configuraciones de redes aéreas de distribución para alimentar áreas del tipo residencial bajo, medio y alto, evaluando su costos y beneficios al lo largo de su vida útil para seleccionar la configuración óptima para cada tipo de área. Asimismo, se realiza un estudio para determinar hasta qué carga por poste es conveniente el cero secundario, tanto para transformadores monofásicos como trifásicos, considerando dos casos, uno sin línea de media tensión existente y otro considerando línea de media tensión existente. Por otra parte, en la Zona Tampico, falta estudiar con mayor detalle las pérdidas de energía en baja tensión de las redes áreas que actualmente se encuentran en operación, esto debido a que con los programas de computadora con que se cuenta la Zona, resulta tardado y laborioso el digitalizar o introducir el modelo de la red de baja tensión, lo que trae como consecuencia que el ingeniero de planeación realice propuestas mejoras de redes con fundamentos basados en la experiencia y criterios establecidos a través de los años. Lo mismo sucede cuando se aprueban proyectos de nuevos fraccionamientos con redes aéreas, al no contar con una herramienta práctica que le ayude a estudiar la red de baja tensión propuesta y buscar la manera de optimizarla, tanto la configuración de la red, calibre de conductor seleccionado como la capacidad del transformador, el ingeniero de planeación revisa el proyecto en base a sus conocimientos y experiencia de campo, sin un mayor análisis. En el Capítulo 4 se muestra el desarrollo de un programa de computadora denominado Aradis, Analizador de redes de distribución, creado dentro de la plataforma del programa de Excel con la ayuda visual Basic (VBA), que trae como beneficio la recreación automática del modelado de la red de baja tensión exportando la información georeferenciada de las líneas secundarias de la base de datos del Sistema de Información Geográfica Eléctrica de Distribución (SigedW) [3], reduciendo el tiempo en la realización de esta actividad. Una vez exportada la red de baja tensión queda lista para la introducción de carga por poste y poder realizar la corrida de flujos, una vez conformado el caso original, el Aradis permite realizar

7 de una manera fácil copias para comenzar a realizar modificaciones a la red tales como recalibrar, mover el transformador, crear nuevas áreas, reemplazar el transformador por uno de menor capacidad, etc. Así mismo el Aradis cuenta con un módulo de evaluación económica donde se pueden agrupar todas las alternativas creadas (copias) y las compara con el caso original, mostrando de manera práctica los comparativos entre las alternativas en cuanto a: a) b) c) d) e) f)

Características. Datos Eléctricos Detalle de pérdidas Reducción de pérdidas Datos Económicos Evaluación Económica

Las ventajas con las que cuenta el Aradis son: 1.- Recreación automática del modelado de la red utilizando como fuente la base de datos del SigedW. 2.- Fácil manejo del programa. 3.- Sin limitaciones de licencias de uso por ser desarrollado por personal de CFE y en la plataforma de Excel. 4.- Evaluación de las pérdidas de energía tanto de la red secundaria como la del transformador de distribución que sirve a la red. 5.- Evaluación económica de los beneficios obtenidos con la reducción de pérdidas. 6.- Búsqueda automática de la ubicación óptima del transformador de distribución. 7.- Graficador de voltaje en cualquier poste de la Red. La reducción de las pérdidas a niveles manejables permitirá que la Comisión Federal de Electricidad logre mejorar sus finanzas, y el cliente al final será el más beneficiado ya que la empresa podrá contar con más recursos para mejorar la calidad de energía realizando nuevos circuitos, comprando equipo mas eficiente, expandiendo el servicio de energía a otras zonas que actualmente no lo tienen, etc.

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CONTENIDO

Capítulo 1 1.1 1.2 1.3 1.4

Ubicación de la Zona Tampico ……………………………………………………. Estadística de instalaciones ………………………………………………………... Pérdidas de energía ………………………………………………………………… Problemática ………………………………………………………………………..

Capítulo 2 2.1 2.2 2.3 2.4

2.5 2.6

2.7 2.8

3.3.

3.4

Análisis de pérdidas de transformadores de distribución …………........

20 20 21 22 24

25

Introducción ………………………………………………………………………... 25 Tipos de trasformadores de distribución ......……………………………………….. 25 Estadística de transformadores de distribución ………………………………….… 27 Estimación de pérdidas de energía en transformadores de distribución …………… 27 2.4.1 Pérdidas sin carga ……………………………….…………………………. 28 2.4.2 Pérdidas con carga …………………….…………………………………… 28 2.4.3 Pérdidas estándar en los transformadores de distribución …………………. 29 2.4.4 Pérdidas de potencia y energía en los transformadores de distribución ….... 29 2.4.5 Cálculo de pérdida de potencia y energía de los transformadores de 31 distribución ………………………………………………………………………… Reducción de pérdidas de en transformadores de distribución …………………….. 33 Estudio del comportamiento de la carga .……..…………………………………… 35 2.6.1 Residencial bajo 36 2.6.2 Residencial medio 42 2.6.3 Residencial alto 46 Transformador económico con carga constante …………………………………….. 50 Transformador económico con crecimiento de la carga …………………………….. 53

Capítulo 3 3.1 3.2

Antecedentes ……………………………………………………………...

Análisis de pérdidas en líneas de baja tensión …………………………….

57

Introducción ……..…………………………………………………………………. 57 Configuración óptima en redes aéreas de baja tensión ……………………………… 57 3.2.1 Red de baja tensión, residencial bajo ………………………………………... 58 3.2.2 Red de baja tensión, residencial medio …………………………………….. 68 3.2.3 Red de baja tensión, residencial alto ……………………………………….. 72 Rango de carga óptimo para el cero secundario 74 3.3.1 Rango de carga óptimo para el cero secundario sin media tensión ………….. 74 3.3.2 Rango de carga óptimo para el cero secundario con media tensión existente .. 78 Cálculo del factor de pérdidas para líneas de baja tensión ………………………… 79 3.4.1. Cálculo del factor de pérdidas de energía realizando el estudio cada 15

9 minutos …………………………………………………………………………….. 3.4.2. Cálculo del factor de pérdidas de energía realizando cálculos con agrupamientos utilizando técnicas estadísticas ……………………………………..

Capítulo 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

4.6

4.7

4.8

Capítulo 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

Capítulo 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

81 87

Analizador de redes aéreas de distribución ……………………………...

92

Generalidades ………………………………………………………………. Objetivos …………………………………………………………………… Estrategia metodológica del proyecto ……………………………………… Grado de innovación del proyecto …………………………………………. Desarrollo del proyecto …………………………………………………….. 4.5.1 Arquitectura del Sistema Analizador de Redes Aéreas de Distribución (Aradis) ……………………………………………………... 4.5.2 Estructura del Sistema ……………………………………………… 4.5.3 Esquema General de utilización del Sistema ………………………. 4.5.4 Utilización del sistema ……………………………………………... Consideraciones para los cálculos de pérdidas y caída de tensión ………… 4.6.1 Recreación de Red y cálculo de carga acumulada por poste ………. 4.6.2 Cálculo de las impedancias por rama ………………………………. 4.6.3 Cálculo de la corriente por rama …………………………………… 4.6.4 Cálculo de la caída de tensión por rama y voltaje en cada nodo …... 4.6.5 Cálculo de pérdidas de potencia por rama y total ………………….. 4.6.6 Cálculo de pérdidas de energía total ……………………………….. Consideraciones para la evolución económica de alternativas …………….. 4.7.1 Definición de los parámetros para la evaluación …………………... 4.7.2 Memoria de cálculo de las evaluaciones …………………………… Requerimientos del programa Aradis ……………………………………...

92 93 94 95 97 97 98 100 101 118 118 121 122 123 124 125 125 126 129 134

Comparación de resultados SIMULA –FeederAll – Aradis ……………

135

Caso de estudio …………………………………………………………….. Simulación mediante el programa SIMULA ………………………………. Simulación mediante el programa FeederAll ………………………………. Simulación mediante el programa Aradis ………………………………….. Comparación de resultados …………………………………………………

135 136 139 143 146

Utilización del Aradis en la optimización de una red secundaria ………

147

Introducción ………………………………………………………………... 147 Modelado de la red, condición actual ……………………………………… 148 Alternativas para la mejora de la red ………………………………………. 149 Beneficios de las alternativas …………………………………………….… 150 Selección de la mejor alternativa ………………………………………....... 153

10 Capítulo 7 7.1 7.2 7.3 7.4 Referencias

Conclusiones

154

Transformadores de distribución …………………………………………… 154 Líneas de baja tensión ……………………………………………………… 155 Analizador de redes aéreas Aradis …………………………………………. 156 Recomendaciones para trabajos futuros ……………………………………. 157 159

11

LISTA DE TABLAS

Tabla 1.1 Aportación de pérdidas técnicas de energía por elemento del SED.

24

Tabla 2.1 Estadística de los transformadores de distribución propiedad de CFE en el ámbito de la Zona Tampico, División de Distribución Golfo Centro.

27

Tabla 2.2 Pérdidas de cobre y núcleo normalizadas, mínimas requeridas para los transformadores de distribución.

29

Tabla 2.3 Pérdidas de energía en transformadores de distribución de CFE, de la Zona Tampico, de acuerdo al procedimiento PESED.

32

Tabla 2.4. Resultados de pérdidas de energía, simulando la rotación masiva de transformadores de distribución a una capacidad menor de la existente de un solo escalón.

34

Tabla 2.5 Resultados de las evaluaciones económicas de rotación de transformadores de distribución.

35

Tabla 2.6 Usuarios conectados a la red de baja tensión, residencial bajo, a) servicios monofásicos y b) servicios trifásicos.

37

Tabla 2.7 Resultado del estudio del comportamiento de la demanda, Col. Borreguera, residencial bajo.

40

Tabla 2.8 Usuarios conectadas a la red de baja tensión del caso de estudio, residencial medio, a) servicios monofásicos y b) servicios bifásicos.

43

Tabla 2.9 Resultado del estudio del comportamiento de la demanda, Col. Flores Magón, residencial medio.

45

Tabla 2.10 Usuarios conectadas a la red de baja tensión del caso de estudio, residencial alto, servicios monofásicos y servicios bifásicos.

47

Tabla 2.11 Resultado del estudio del comportamiento de la demanda, Col. Águila, Residencial Alto.

49

Tabla 2.12 Rango de carga económica de transformadores de distribución de 13.2 kV en kVA considerando el valor presente neto del costo total (Ec. 2.12), con un factor de carga de 0.59 y sin crecimiento de carga, a) limitado a su capacidad nominal y b) limitado al 30 % mas de su capacidad nominal.

52

Tabla 2.13 Comparativo de costo de transformador y costos de instalación de transformadores monofásicos de 13.8 kV convencionales y autoprotegidos.

56

12 Tabla 2.14 Rango de carga económico de transformadores autoprotegidos y convencionales de 13.8 kV, considerando el crecimiento de carga.

56

Tabla 3.1. Costos iniciales de la red mostrada en la figura 3.1, precios de Enero de 2009.

60

Tabla 3.2 Costos marginales de energía del área noroeste a considerar en los estudios.

62

Tabla 3.3 Comparativos de las características y resultados técnicos de las alternativas para suministro de energía eléctrica a viviendas del tipo residencial bajo, del caso de estudio.

66

Tabla 3.4 Comparativos económicos de las alternativas para suministro de energía eléctrica a viviendas del tipo residencial bajo, del caso de estudio.

67

Tabla 3.5 Resultados de pérdidas de potencia y energía del caso de estudio, residencial medio.

68

Tabla 3.6 Desglose de costos y beneficios anuales y valor presente neto por concepto.

69

Tabla 3.7 Comparativos de las características y resultados técnicos de las alternativas para suministro de energía eléctrica a viviendas del tipo residencial medio, del caso de estudio.

70

Tabla 3.8 Comparativos económicos de las alternativas para suministro de energía eléctrica a viviendas del tipo residencial bajo, del caso de estudio.

71

Tabla 3.9 Comparativos de las características y resultados técnicos de las alternativas para suministro de energía eléctrica a viviendas del tipo residencial alto, del caso de estudio.

73

Tabla 3.10 Comparativos económicos de las alternativas para suministro de energía eléctrica a viviendas del tipo residencial bajo, del caso de estudio.

74

Tabla 3.11 Co...