Introducción
El advenimiento de la electrónica de potencia, las múltiples interconexiones, los nuevos requisitos en cuanto a optimización de energía, han hecho que los sistemas de potencia sean más seguros, más estables pero, más sensibles a las perturbaciones de calidad de potencia.
Dictionary
“Cualquier ocurrencia manifestada en desviaciones de voltaje, corriente o frecuencia que ocasione fallas o salidas de operación de los equipos eléctricos.” Dugan, 1996
Perturbación de CP
Una definición:
Compatibilidad electromagnética
Definición:
La CEM es la capacidad de un equipo, equipamiento o sistema para funcionar satisfactoriamente en un ambiente electromagnético libre de introducir disturbios electromagnéticos a otros equipos en ese ambiente.
La serie de normas IEC-61000 tratan el tema de la compatibilidad electromagnética. Dentro de dicha serie aparece en la sección 4: Técnicas de medición y Análisis , la IEC-61000-4-30 que trata específicamente el tema de monitoreo de Calidad de Potencia y la IEC-61000-4-15 trata la medición del flicker.
Clasificación de fenómenos que afectan a la calidad del suministro
Múltiples criterios:
*duración de la perturbación (transitoria, corta duración, larga duración)
* forma de la perturbación (armónicos, flicker, desbalances, etc.)
* fuente del problema (convertidores, maniobras, etc)
* espectro de frecuencias (audio y radio frecuencia)
* perturbaciones conducidas y radiadas.
* forma de la perturbación: síncronos y asíncronos
Categoría + atributos = descripción de la perturbación
Clasificación de las perturbaciones
IEEE 1159, Monitoring Electric Power Quality
Descripción de los diferentes fenómenos
Técnicas e instrumentos de medición
Interpretación de resultados
IEC 61000-3-4, es el par europeo.
Clasificación IEEE 1159
Clasificaciones de los fenómenos de acuerdo con los criterios: Según la duración, forma de la perturbación y espectro de frecuencia.
Clasificación IEEE 1159
Perturbaciones
Tipos de perturbaciones electromagnéticas según IEEE 1159 -1995 Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality:
Transitorios Electromagnéticos (TEM)
Variaciones de Corta duración (VCD)
Variaciones de Larga Duración (VLD)
Desbalance (D)
Distorsión de la Forma de onda (DF)
Fluctuaciones (F)
Variaciones de la Frecuencia Industrial (VFI)
Perturbaciones
Perturbaciones
Diseño /Ingeniería
Tierra
Descargadores
Interrupciones
Armónicos
Mantenimiento
Supresión de Transitorios
Sobre tensión
Picos
Ruido
20%
Consideración sobre soluciones
Las soluciones pueden estar del lado del distribuidor o del lado del usuario.
Las soluciones del lado del distribuidor son usualmente más costosas y difíciles de implementar.
Las soluciones del lado del usuario son prácticas porque atacan la fuente del problema y se evita que las perturbaciones viajen por el sistema de distribución ocasionándole problemas a los otros usuarios conectados.
La presentación se enfocará en las soluciones del lado del usuario.
Pirámide de soluciones
Onda ideal de tensión
1 ciclo = 16 ms
1. Transitorios
Fenómenos indeseados de corta duración.
Son cambios repentinos en la señal instantánea de tensión, corriente o ambas y pueden ser de tipo impulso u oscilatorio.
Pueden clasificarse en Impulsivos u Oscilatorios
Causas:
Tormentas atmosféricas
Operación de los sistemas de protección
Operaciones de conmutación de corte y reconexión de cargas en ciertos intervalos de tiempo,.
Suicheo de condensadores que se hacen en la red de energía (oscilatorios)
-200
-100
0
100
200
Unipolar
Positive
Negative
Notching
Oscillatory
Multiple Zero Crossings
Bipolar
1. Transitorios
1. Transitorios
Efectos:
Su efecto es que pueden quemar componentes electrónicos conectados en ese momento a la red .
Destrucción de los componentes eléctricos y electrónicos Destrucción de las pistas de los circuitos impresos. Destrucción de los equipos de telecomunicaciones. Perjuicios directos por el tiempo de reemplazo.
Cadena de destrucción sobre programas informáticos, memoria de proceso. Envejecimiento prematuro de los componentes eléctricos y electrónicos. Pérdida de datos de información. Bloqueo de programas informáticos.
1. Transitorios
? Los transitorios oscilatorios pueden ser de alta (>500 kHz), media (5-500 kHz) y baja frecuencia (< 5 kHz).
Oscilatorios
Se presentan como respuesta del sistema a conmutación de capacitores o a transitorios tipo impulso.
1. Transitorios
Soluciones
Sobre el lado del usuario:
Instalación de pararrayos de alta corriente de descarga para limitar el voltaje transitorio sobre el barraje del usuario.
Puede insertarse una inductancia en serie con el banco de condensadores, lo cual hace decrecer el transitorio de voltaje sobre el barraje del usuario a niveles aceptables.
Instalación de DPS (TVSS) en varios puntos de la instalación categorías A, B Y C, con la tecnología adecuada y el nivel de disipación energético requerido.
2. Variaciones de corta duración
Huecos y micro-interrupciones
Disminución de la Tensión a valores entre el 10 y el 90%, Con duración de 10 ms a 1 m.
Pueden ser Instantáneas, Momentáneas y Temporales
Origen:
Cortocircuitos
CONEXIÓN DE CARGAS GRANDES ( cargas que requieren altas corrientes de arranque)
Conexiones intermitentes en el cableado eléctrico de potencia
Maniobras
Conexiones de todo o parte de un sistema después de una falla.
ETC.
Nombrados como: Caídas de tensión (huecos) –en USA se llaman Sags , en la literatura IEC son denominados Dips
2. Variaciones de corta duración
Las variaciones de corta duración pueden ser:
Las depresiones (Sag o Dip), también conocidas como valles o huecos consisten en una reducción entre 0,1 y 0,9 p.u. en el valor R.M.S. de la tensión o corriente con una duración de ½ ciclo a un minuto.
Subidas de tensión (jorobas)
Interrupciones:
Causan la pérdida momentánea completa del voltaje (típicamente entre 2 y 5 s)
2. Variaciones de corta duración
En la figura se observa un SAG causado por un fallo monofásico de una línea sobre otra línea de otro alimentador en la misma subestación
2. Variaciones de corta duración
Huecos (sags -usa /dips- iec).
Efectos:
Los efectos pueden ser diferentes de acuerdo a la susceptibilidad del equipo:
EJ: Controladores lógicos programables se afectan con tensiones menores al 50-90% de la tensión nominal , durante tiempos superiores a 8-20 segundos
Tolerancia típica Tiempo – Nivel de tensión en diferentes equipos.
2. Variaciones de corta duración
Huecos (Sags -USA /Dips- IEC).
Soluciones:
Las medidas mitigadoras se pueden emprender o realizar en cualquiera de los involucrados, Usuario, empresa distribuidora o fabricante de equipos.
Agente distribuidor:
Programas de mantenimiento para reducir las fallas monofásicas por vegetación.
Usar ahuyenta aves.
Aislar conductores desnudos.
Usar más descargadores en los alimentadores.
Usar cable de guarda.
Mejorar la puesta a tierra.
Mantenimiento en los aisladores (lavado).
Instalación de reconectadores a lo largo de la línea (agregado de reconectadores).
Eliminación de la reconexión rápida de reconectadores e interruptores.
Reducción del tiempo de recierre ( o reconexión instantánea), esto es reducir la duración del hueco en lo posible.
Agregado de Esquemas mallados.
Modificación del diseño del alimentador. Busca disminuir la corriente de falla y por ende que el hueco sea menor en magnitud.
La velocidad de actuación de las protecciones debe ser la mayor posible, en pro de reducir la duración del hueco.
La empresa de distribución también puede usar hasta 38 KV en los sistemas de distribución tecnología Custom Power.
Variaciones de corta duración
HUECOS (Sags -USA /Dips- IEC).
Soluciones:
Usuario:
El usuario deberá usar dispositivos de mitigación basados en electrónica de potencia como:
UPS.
Transformador ferroresonante.
Moto generadores.
Suiches de conmutación estáticos rápidos (cierre antes de apertura, para transferência)
Sistem Storage Device (Dispositivos de almacenamiento de energia).
Dentro de la Tecnologia Custom Power: Compensador estático serie (SSC),
Regulador estático de voltaje (SVR)
Suiche estático de transferencia (STS),
2. Variaciones de corta duración
Interrupciones
La tensión se hace inferior a 0,1 p.u. , T < 1 minuto
Causas:
Cortocircuitos
Fallos de equipos
Control erróneo
Reconexión automática: interrupción menor de 0,5 s
Algunas interrupciones vienen precedidas de un voltaje SAG, cuando las interrupciones son debidas a fallas en las fuentes del sistema (generadores). El SAG ocurre entre el tiempo que se produce la falla y el tiempo en que opera la protección.
En caso de despeje de falta algunas interrupciones van precedidas de un hueco (caso de faltas con arco a tierra).
Efectos: Energía No suministrada, Para de Procesos. Lucro cesante.
Soluciones: Usar Fuentes alternas de Energía. UPS, Plantas de Emergencia Standby
2. Variaciones de corta duración
SWELL (JOROBAS)
En la figura un SWELL causado por una falla monofásica a tierra
2. Variaciones de corta duración
Swell (jorobas)
Incremento de V entre 1,1 Y 1,8 p.u y una duración entre 10ms Y 1 min.
Causas:
Cortocircuitos en otras fases (CC fase-tierra), se aumenta la tensión en las otras fases no falladas
Desconexión de cargas grandes
Conexión de grandes bancos de condensadores.
Magnificación de voltajes por efectos de condensadores (resonancias)
El Swell se caracteriza por su magnitud RMS de voltaje y su duración. La severidad del Swell depende de la localización de la falla, impedancia del sistema y de la puesta a tierra, Así pues una falla monofásica, incrementa el voltaje en las demás fases cerca de ella, pero es poco probable que se de en la misma magnitud cerca de la subestación y en la subestación misma, además de la conexión delta-Y del trafo de la subestación que provee el camino de baja impedancia para las corrientes de secuencia a tierra más la puesta a tierra misma de la subestación.
2. Variaciones de corta duración
Swell (jorobas)
Efectos:
En general causan mala operación de equipos sensibles como:
Relés (conmutaciones indeseadas).
Equipos de control relevos,
Equipos de fotomecánica,
Instrumentos de análisis químico.
Mitigación:
Las técnicas de mitigación del lado del usuario son aquellas basadas en el uso de equipos de mitigación como las UPS, transformadores de voltaje, SVC, SVR, entre otros.
Del lado de la empresa distribuidora se pueden usar SVR, y el manejo de Taps de transformadores.
El uso de dispositivos custom power del lado del usuario y de la empresa de distribución hasta 38 KV, también es posible.
3. Variaciones de larga duración
Las variaciones de Tensión de larga duración abarcan las desviaciones del voltaje a la frecuencia del sistema(60HZ) para periodos de tiempo mayores a 1 minuto (ANSI C84.1 especifica las variaciones de voltaje tolerables en estado estable para un sistema eléctrico). NO SE CONSIDERAN CAUSADAS POR FALLAS DEL SISTEMA ELECTRICO.
? Interrupción sostenida: Mayor a 1 min, voltaje 0.00 P.U.
– Se asocia a confiabilidad/ continuidad del servicio.
3. Variaciones de larga duración
Causas de las variaciones de tensión de larga duración:
Es normal que durante la operación del sistema de potencia se presenten desviaciones del voltaje RMS nominal, esto es sobrevoltajes o subvoltajes debidas fundamentalmente a:
Caídas de tensión en transformadores y alimentadores.
Cambiadores de Taps.
Efecto Ferranti.
Compensación reactiva,
Cambios de generación y carga.
Operación de pararrayos.
Operación de elementos de interrupción, etc.
Operaciones de suicheo sobre el sistema
Las variaciones de larga duración pueden ser sobrevoltajes o subvoltajes o una interrupción sostenida. Los sobrevoltajes y subvoltajes de larga duración por lo general no son el resultado de fallas L-G o L-L L-G. En general se deben a variaciones de carga en el sistema y operaciones de suicheo del sistema.
3. Variaciones de larga duración
Sobretensiones/sobrevoltajes: Superior al 110%.
Causas:
pueden deberse a incorrecta posición de taps, o porque el sistema es débil en algún momento para regulación del voltaje.
Desconexión de grandes cargas
Conexión de condensadores
Suicheo de equipo eléctrico
Efectos:
Fallas inmediatas de equipos durante las condiciones de sobrevoltaje.
Los transformadores, cables, barrajes, interruptores, CTS, PTS y máquinas rotativas no fallan inmediatamente, pero hay pérdida de vida útil.
Una condición de sobrevoltaje puede traducirse en operaciones indeseadas de operación de relés.
Incremento del grado de luminosidad (luxes/candelas) producidas por las lámparas durante una condición de sobrevoltaje, pero disminuyendo la vida útil de las lámparas.
3. Variaciones de larga duración
Subtensión/Subvoltaje: Puede estar originado artificialmente para reducir carga. Tensión entre 0.8 -0.9 P.U, tiempo > 1 min
Causas: El resultado de eventos contrarios a la sobretensión
– Desconexión de banco de condensadores
– Desconexión de grandes cargas.
– Sobrecargar los circuitos de distribución
Efectos:
En general puede traer efectos adversos para el funcionamiento de los equipos.
Salida de operación de los controladores de motores, PCs, PLCs
Calentamiento y pérdidas en los devanados de los motores debido al aumento de las corrientes.
Cambios de velocidad en maquinas de inducción.
Mal funcionamiento de bancos de condensadores pues la salida de potencia reactiva es función de la tensión aplicada.
Disminución de los niveles de iluminación en lámparas.
3. Variaciones de larga duración
MITIGACION DE VARIACIONES DE TENSION DE LARGA DURACIÓN:
Regulación de la tensión y el uso de equipos adecuados para ello.
En general la solución se enfoca en ambos casos a compensar la impedancia, Z o compensación de la caída de voltaje causada por la impedancia.
Lado Empresa Distribuidora:
Adicionar reguladores de voltaje, los cuales estimulan o inyectan el voltaje aparente V en la red.
Aumentar la capacidad de las líneas para reducir la impedancia, Z.
Modificar las impedancias del transformador, en aras de reducir la impedancia.
Adicionar Static Var Compensation, los cuales tienen el mismo propósito que los condensadores para cambios rápidos de carga.
Gestión Volt/Var usando controles autoadaptivos de reguladores y bancos de capacitores en las líneas de distribución.
3. Variaciones de larga duración
Lado Usuario:
Del lado del usuario los capacitores pueden ser usados con las siguientes ventajas:
Reducen la cuenta del servicio de energía ( factor de potencia, energía reactiva)
Reducción de pérdidas I2R y calentamiento en las líneas y transformadores
Estabilización del voltaje.
Control de sobrevoltajes
Incremento de la transferencia de potencia.
Mejora de la estabilidad transitoria.
Amortiguamiento de las oscilaciones de potencia y voltaje.
Optimización en la utilización de plantas industriales
Reducción de los costos de producción en la industria
Balance de cargas por fase
Sin embargo estos también pueden ser fuente de problemas como:
Resonancia con el sistema a una frecuencia armónica.
Transitorios durante las operaciones de maniobra.
Magnificación de sobretensiones al operar otros bancos de condensadores.
4. Desbalance de tensión
Ej. Si las tensiones de línea son 448, 440 y 439, el desbalance será:
Promedio: 442.3 Máxima desviación: 448 – 442.3 = 5.7
Desbalance = 5.7 / 442.3 x 100 = 1.3%
Desbalances hasta del 2% se consideran normales y son producidos generalmente por cargas monofásicas.
Por encima del 5% pueden ser resultado de fallas en bancos de capacitores o pérdida de una fase.
Los valores de desbalance de tensión se encuentran dentro de los valores aceptables a nivel internacional (IEC 61000-2, EN-50160, IEEE 1159).
4. Desbalance de tensión
CAUSAS:
Cargas desequilibradas
Cargas monofásicas en circuitos trifásicos
Rectificadores de media onda (componente contínua)
Fusible quemado en una fase
Quema de fusible o fusibles en las fases de condensadores
CONSECUENCIAS:
Grandes corrientes en motores y transformadores.
Mayores corrientes sobre barrajes, cables, etc
Incremento de pérdidas en la red.
Actuación de fusibles en baterías de condensadores
Etc.
4. Desbalance de tensión
MITIGACION:
La principal actuación para corregir el problema parte de balancear las fases de toda la instalación. Procurando desbalances menores al 2%.
También es posible el que se mantenga vigilancia, o teleseñalización de las pérdidas de fusibles en las fases de los bancos de baterías y en los interruptores, se revise o monitoree la operación adecuada de los polos de los interruptores
5. Distorsión de la forma de onda
Es definido como la desviación en estado estable de la onda senoidal a la frecuencia del sistema, caracterizada principalmente por el contenido espectral de la desviación.
Hay cinco tipos primarios de distorsión de onda:
– DC offset
– Armónicos
– Interarmónicos
– Notching
– Noise
5. Distorsión de la forma de onda
Es la presencia de corriente o voltaje D.C en un sistema eléctrico A.C.
CAUSAS: Fenómenos geomagnéticos.
Uso de rectificadores de media onda
CONSECUENCIAS:
Puede causar efectos de saturación parcial en el núcleo de transformadores cuando estén en operación normal.
Causan calentamiento adicional y pérdidas en el transformador, disminuyendo la vida útil del transformador.
La corriente directa en un circuito AC, puede causar erosión electrolítica de electrodos de tierra y otros conectores.
D.C OFFSET:
ESTA PRESENTACIÓN CONTIENE MAS DIAPOSITIVAS DISPONIBLES EN LA VERSIÓN DE DESCARGA