Interrupciones y variaciones de voltaje
2. Variaciones de estado estacionario: Sobrevoltajes, bajos voltajes, fluctuaciones del
2.6 Origen de las interrupciones y la confiabilidad de los sistemas eléctricos.
Históricamente, los términos calidad de la energía y confiabilidad han sido tomados como sinónimos. Durante los primeros años de desarrollo de los sistemas eléctricos de potencia, los ingenieros electricistas estaban preocupados principalmente por ‘mantener encendidas las luces’, diseñar los sistemas para soportar salidas de elementos usando apartarrayos, interruptores, cuchillas desconectadoras, redundancia, y evitar que la frecuencia se desviara de 60 Hz durante las salidas de parte del sistema. Se usaron diversos dispositivos para mantener la confiabilidad del sistema, así, si la salida de operación de una línea de transmisión mayor llevaba a perder una carga grande, se tomaban medidas para evitar que el generador se acelerara y que la frecuencia se incrementara por encima de los límites aceptables para evitar que el sistema completo se colapsara. En el caso anterior, se podían usar, por ejemplo, “frenos dinámicos” consistentes de grandes resistores de acero inoxidable para sustituir a la carga perdida y evitar la pérdida de sincronismo.
Las compañías suministradoras de energía eléctrica producen y liberan electricidad a través de grandes redes de generadores, transformadores y miles de kilómetros de conductores. Aunque es difícil imaginar que sistemas tan complejos puedan operar confiablemente, se libera energía eléctrica cuándo y donde se necesita durante más del 99.95% del tiempo. Esta medida de la calidad de la energía eléctrica, relacionada con la continuidad en el servicio, es llamada confiabilidad.
De acuerdo con el Diccionario McGraw-Hill de Ingeniería (versión electrónica):
Confiabilidad (reliability). Es la probabilidad de que una parte componente, equipo o sistema lleve a cabo de forma satisfactoria su función especificada bajo
circunstancias dadas, tales como condiciones ambientales, limitaciones en cuanto al tiempo de operación, y frecuencia y profundidad del mantenimiento para un periodo especificado de tiempo.
El término confiabilidad en el contexto de las compañías de suministro de energía eléctrica generalmente se refiere a la cantidad de tiempo que los usuarios finales están totalmente sin
energía por una interrupción sostenida.
Las definiciones de lo que es una interrupción sostenida varían entre las diferentes compañías, pero generalmente se consideran interrupciones entre 1 y 5 minutos como definitorias de una salida (outage). De acuerdo con el Diccionario de Ingeniería Eléctrica (Laplante, 2000):
Salida (outage).
(1) El porcentaje de tiempo o de área para el cual un sistema de comunicación no suministra calidad aceptable
(2) Pérdida de potencia de todo o de parte de un sistema eléctrico de potencia
Los estándares actuales de calidad de la energía consideran como interrupción sostenida cualquier pérdida total de potencia mayor a 1 minuto. En cualquier caso, la confiabilidad es
afectada por las fallas permanentes en el sistema que deben ser reparadas antes de que el servicio sea restaurado, es decir, por las interrupciones sostenidas. Naturalmente, muchos usuarios industriales tienen una visión diferente de lo que es la confiabilidad, ya que aún interrupciones momentáneas debidas a fallas transitorias pueden sacar de operación sus procesos y requerir de varias horas para volver a producir.
Dado que la mayoría de los consumidores demandan un suministro continuo de energía eléctrica, las compañías tienen sistemas que prácticamente eliminan la posibilidad de salidas de servicio. La poda regular de árboles alrededor de las líneas de transmisión, la exploración infrarroja y las rutinas de mantenimiento preventivo son sólo algunas de las formas usadas para proteger y mejorar la confiabilidad del servicio. Desafortunadamente, existen circunstancias que no pueden ser controladas por las compañías suministradoras, por ejemplo el mal clima, los accidentes involucrando líneas eléctricas, las fallas del equipo y el vandalismo, que pueden crear problemas si:
• El equipo está diseñado para operar dentro de límites muy estrechos de voltaje de alimentación.
• El equipo no tiene sistemas de amortiguamiento y estabilización o capacidades de retención (ride through) adecuadas para filtrar las fluctuaciones en la alimentación. Los cortocircuitos o las fallas causan disturbios de potencia en las líneas de las compañías, indeterminando la calidad del servicio a los consumidores dentro del área fallada. Aún cuando el servicio sea restaurado automáticamente siguiendo la falla, el equipo de protección de la compañía suministradora puede quitar la energía automáticamente algunas veces durante varios segundos en un intento de limpiar el circuito fallado. Esto da lugar a una interrupción
instantánea, una interrupción momentánea o a una interrupción temporal. Cuando ocurren salidas mayores o fallas permanentes en los circuitos primarios que sirven a una área, toda la potencia es interrumpida hasta que la causa de la falla sea aislada y corregida dando lugar a
interrupciones prolongadas o sostenidas.
Los ingenieros de potencia han estado siempre preocupados por la posibilidad de que una salida de una línea de transmisión o de una subestación origine un efecto en cascada que lleve a apagones parciales o totales. Sin embargo, las reducciones extendidas en voltaje de más del 10% (brownouts) y la pérdida total de potencia eléctrica por más de 10 minutos (blackouts) constituyen sólo alrededor del 4.7% del total de disturbios que pueden ocurrir en un sistema eléctrico de potencia. Los fenómenos transitorios en el voltaje constituyen alrededor del 95.3%, de manera que los problemas de calidad de la energía eléctrica causados por transitorios han llegado a ser una preocupación creciente a partir de la década de los años 1980.
Los índices de confiabilidad tradicionales (basados en interrupciones) para sistemas de distribución de energía eléctrica se definen como sigue (Dugan y otros, 2004, Pág. 91):
SAIFI: Índice de frecuencia promedio de interrupción del sistema
(No. de consumidores interrumpidos) (No. de interrupciones) SAIFI =
SAIDI: Índice de duración promedio de interrupción del sistema
(No. de consumidores afectados) (Duración de la salida) SAIDI =
No. total de consumidores
∑
… (2.11)CAIFI: Índice de frecuencia promedio de interrupción al consumidor
No. total de interrupciones al consumidor CAIFI =
No. de consumidores afectados … (2.12)
CAIDI: Índice de duración promedio de interrupción al consumidor
Duración de interrupciones al consumidor CAIDI =
No. total de interrupciones al consumidor
∑
… (2.13)
ASAI: Índice de disponibilidad promedio del sistema
Disponibilidad de horas servicio al consumidor ASAI =
Demanda de horas servicio del consumidor … (2.14) Donde la demanda de horas servicio del consumidor = 8760 para un año entero.
Valores objetivo típicos para los índices anteriores son: • 1.0 para SAIFI
• 1.0 a 1.5 horas para SAIDI • 1.0 a 1.5 horas para CAIDI • 0.99983 para ASAI
El énfasis de los ingenieros electricistas se ha desplazado de preocupaciones acerca de la confiabilidad en las redes de transmisión y distribución en los años 1980 hacia aspectos de calidad de la energía eléctrica a nivel de último usuario, tales como depresiones y elevaciones de voltaje, transitorios oscilatorios e impulsivos, altos y bajos voltajes, parpadeo y distorsión armónica. Las agencias reguladoras, para evitar el deterioro de la calidad de la energía eléctrica entregada a los consumidores, deben ir más allá de los índices de confiabilidad
tradicionales y especificar la necesidad de reportar e incentivar la calidad de la energía para los sistemas de transmisión y distribución.
Las depresiones de voltaje son típicamente la variación de la calidad de la energía más importante que afecta a los consumidores comerciales e industriales. Kennedy (2000, Pág. 75- 76) comenta que los estándares para depresiones de voltaje usan índices de confiabilidad para poner límites a las depresiones de voltaje. El Libro Dorado de la IEEE (Estándar IEEE 493) ya incluye las depresiones de voltaje en la definición de confiabilidad:
“La evaluación económica de la confiabilidad comienza con el establecimiento de una definición de interrupción. Tal definición especifica la magnitud de la depresión de voltaje y la duración mínima de tal periodo de voltaje reducido que resulta en una pérdida de la producción o de otra función del proceso”.
El índice básico para funcionamiento ante depresiones de voltaje es el System average rms
(variation) frequency indexVoltage (SARFIx). SARFIx cuantifica tres parámetros de las
depresiones del voltaje en un índice: número de depresiones de voltaje, periodo de la medición y número de usuarios finales afectados por la depresión de voltaje. Así, SARFIx representa el número promedio de eventos variación de valor rms de corta duración especificados por consumidor que ocurrieron en un sistema de potencia específico durante un periodo de tiempo de medición. Para SARFIx los disturbios especificados son aquellas variaciones rms con una magnitud de voltaje menor que x para caídas de voltaje o una magnitud mayor que x para incrementos en el voltaje. SARFIx se define como (Dugan y otros, 2004, Pág. 335):
T
Ni
SARFI =
N
x
∑
… (2.15) Donde:x = Nivel umbral de voltaje rms; valores posibles son 140, 120, 110, 90, 80, 70, 50, y 10 Ni = Número de consumidores que experimentan desviaciones en el voltaje con magnitudes
por arriba de X% para x > 100 o por debajo de X% para x < 100 debido al evento i. NT = Número total de consumidores servidos desde la sección de sistema a ser evaluada.
Note que SARFIx es definido con relación al umbral de voltaje x. Por ejemplo, si una compañía tiene consumidores que sólo son susceptibles a depresiones de voltaje por debajo del 80% del voltaje nominal, este grupo de disturbio puede ser evaluado usando SARFI80.
SARFI80 representa el número promedio de depresiones de voltaje por debajo del 80%
experimentado por el consumidor promedio alimentado desde el sistema evaluado.
Los 8 valores umbral definidos para el índice fueron seleccionados para coincidir con lo siguiente (Dugan y otros, 2004, Pág. 335):
• 140, 120 y 110. Segmentos de sobrevoltaje de la curva ITI. • 90, 80 y 70. Segmentos de bajo voltaje de la curva ITI.
• 50. Punto de interrupción típico para evaluar contactores de motor. • 10. Definición de una interrupción en el estándar IEEE 1159.
De acuerdo con Kennedy (2000, Pág. 77), SARFIx es similar al índice SAIFI, pero aclara que los dos índices son diferentes ya que SARFIx evalúa el funcionamiento del sistema con relación a variaciones rms de corta duración, mientras que SAIFI evalúa sólo interrupciones sostenidas. SARFIx puede ser usado para evaluar la frecuencia de ocurrencia de depresiones y elevaciones de voltaje, y de interrupciones de corta duración.