Análisis de armónicos en sistemas eléctricos de potencia y normas regulatorias: impacto del horno de arco eléctrico de acerías

• Jimmy Cesar Gonzales Arispe ^[1] ; Alvaro Yassif Marca Yucra ^[2]
  1. [1] Universidad Mayor de San Simón

     Universidad Mayor de San Simón

     Bolivia

     
  2. [2] Universidad Nacional de San Juan

     Universidad Nacional de San Juan

     Argentina

     
• Localización: Ingeniare: Revista Chilena de Ingeniería, ISSN-e 0718-3305, ISSN 0718-3291, Vol. 32, Nº. 1, 2024
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Harmonic analysis in power systems and regulatory standards: impact of electric arc furnaces in steel mills
• Enlaces
  • Texto completo (pdf)
• Resumen
  • español

    En la operación de sistemas eléctricos de potencia pueden presentarse armónicos de voltaje y corriente originados por cargas como ser plantas siderúrgicas, cementeras o por efecto de la generación eólica y solar. En la industria siderúrgica, los Hornos de Arco Eléctrico (HAEs) se encuentran entre los principales causantes de armónicos y fluctuaciones de voltaje. Estos armónicos de voltaje pueden incrementar significativamente los niveles de armónicos de corriente en la red, produciendo pérdidas de potencia activa y daño a los equipos. Por otro lado, no se dispone de modelos precisos de HAEs para efectuar estudios de armónicos en sistemas de potencia, debido al comportamiento altamente caótico del mismo. Esta investigación propone una metodología de análisis de armónicos, a corto y mediano plazo, basada en el modelo matemático simplificado de Ayrton para la representación del HAE. Dicha metodología es aplicada a un caso de estudio real de una siderúrgica conectada al sistema eléctrico boliviano; donde, se calcularon índices de calidad de energía, tasas de distorsión armónica total e individual, y se verificó el cumplimiento de las consideraciones de la norma IEEE 519-2022.

    Los resultados se compararon con mediciones especializadas de armónicos en nodos de alto voltaje del sistema eléctrico boliviano; donde se evidencia el aporte significativo de armónicos en la red, principalmente de armónicos de quinto (3,98%), séptimo (1,68%), undécimo (0,85%) y decimotercer (0,79%) orden. De esta forma se demuestra la importancia de cumplir con las normas regulatorias en materia de calidad de energía para no afectar a los usuarios de la red.

  • English

    In the operation of power systems, voltage and current harmonics can arise due to loads such as steel plants, cement factories, or the effect of wind and solar generation. Electric Arc Furnaces (EAFs) are among the leading causes of voltage harmonics and fluctuations in the steel industry. These voltage harmonics can significantly increase the levels of current harmonics in the network, resulting in active power losses and equipment damage. Conversely, precise models of EAFs are not available for conducting harmonic studies in power systems due to their highly chaotic behavior.

    This research proposes a short- and medium-term harmonic analysis methodology based on Ayrton's simplified mathematical model for representing the EAF. This methodology is applied to an actual study case of a steel plant connected to the Bolivian power system. Quality of energy indices, and total and individual harmonic distortion rates were calculated, and compliance with the considerations of the IEEE 519-2022 standard was verified.

    The results were compared with specialized harmonic measurements at high-voltage nodes of the Bolivian power system, evidenced by the significant contribution of harmonics in the network, mainly the fifth, seventh, eleventh, and thirteenth-order harmonics. Thus, the importance of complying with regulatory standards regarding energy quality to avoid affecting network users is demonstrated.