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POTENCIA EL ÉCTRICA EN REDES DE DISTRIBUCI ÓN

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Agradecimientos: José Thomas Villalobos quien fue el primer impulsor de la Calidad de Potencia en ENELVEN y al Sr. Roberto Nava quien nos ha apoyado desde el inicio como apoyo incansable en la instalación de los registradores e inspecciones de campo.

(3)

ÍNDICE

I.- INTRODUCCIÓN... 4

II.- QUE ES LA CALIDAD DE POTENCIA ?. ... 6

2.1.- Puntos de Vista de los Usuarios y de las Empresas de Suministro Eléctrico. ... 7

2.2.- Razones para Mantener la Calidad de Potencia Eléctrica Bajo Control. ... 7

2.3.- Razones para Estudiar la Calidad de Potencia Eléctrica. ... 8

2.4.- Síntomas Típicos de Problemas de Calidad de Potencia Eléctrica... 8

2.5.- La Calidad de Potencia Eléctrica en la Ley Orgánica del Servicio Eléctrico de Venezuela... 8

2.6.- Referencias Bibliográficas...11

III.- COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (CEM). ...12

3.1.- Que es la Compatibilidad Electromagnética (CEM) ?. ...12

3.2.- Objetivos de la CEM. ...14

3.3.- La Perturbación Electromagnética...14

3.4.- Tipos de Acoples...14

3.5.- Interferencias Electromagnéticas. ...14

3.6.- Nivel de Compatibilidad Electromagnética...15

3.7.- Nivel de Planificación...15

3.8.- Límites de Emisión...15

3.9.- Susceptibilidad e Inmunidad. ...15

3.10.- Referencias Bibliográficas...15

IV.- TIPOS DE CARGAS EN UN SISTEMA DE POTENCIA...16

4.1.- Cargas Lineales...16

4.2.- Cargas No Lineales. ...17

4.3.- Carga Sensitiva. ...18

4.4.- Carga Crítica...19

4.5.- Razones para Incrementar la Sensitividad de las Cargas. ...19

4.6.- Referencias Bibliográficas...19

V.- CARACTERÍSTICAS, TIPOS, CAUSAS Y EFECTOS DE LAS PERTURBACIONES ELECTROMAGNÉTICAS...20

5.1.- Transitorios. ...22

5.1.1.- Características. ...22

5.1.2.- Tipos. ...22

5.1.3.- Causas. ...23

5.1.4.- Efectos...25

5.2.- Caídas de Tensión (Sags o Dip) de Corta Duración...25

5.2.1.- Definición...25

5.2.2.- Causas. ...27

5.2.3.- Efectos...27

5.3.- Sobre Tensiones (Swells) de Corta Duración...28

5.3.1.- Definición...28

5.3.2.- Causas. ...28

5.3.3.- Efectos...29

5.4.- Interrupciones. ...29

5.4.1.- Definición...29

5.4.2.- Causas. ...30

5.4.3.- Efectos...30

5.5.- Variaciones de Tensión de Larga Duración...30

5.5.1.- Tipos. ...30

5.5.2.- Efectos...31

5.6.- Curva ITIC (CBEMA). ...31

5.7.- Armónicos. ...34

5.7.1.- Definición...34

5.7.2.- Causas. ...35

5.7.3.- Efectos...36

5.7.4.- Respuesta Característica del Sistema de Potencia. ...40

5.7.5.- Distorsión Armónica de Corriente de Cargas Típicas. ...44

5.7.6.- Secuencia de los Armónicos...47

5.7.7.- El Factor de Potencia...47

5.7.8.- Impacto de los Armónicos en Instalaciones Industriales...49

5.7.9.- Impacto de los Armónicos en Instalaciones Comerciales y de Oficinas...51

5.7.10.- Impacto de los Armónicos en Instalaciones Residenciales. ...53

5.7.11.- Impacto de los Armónicos en la Redes de Media Tensión...54

7.12.- El neutro y los Terceros Armónicos. ...55

5.8.- Muescas “Notch”. ...57

5.8.1.- Definición...57

5.8.2.- Causa. ...58

5.8.3.- Efectos...58

5.9.- Inter Armónicos...58

5.9.1.- Definición...59

5.9.2.- Causa y Efectos. ...59

5.10.- Desplazamiento de la Onda AC (DC Offset)...59

5.10.1.- Definición...59

(4)

5.10.3.- Efectos...60

5.11.- Fluctuaciones Rápidas de Tensión (Flicker). ...60

5.11.1.- Definición...60

5.11.2.- Causa. ...61

5.11.3.- Efectos...64

5.12.- Ruido...64

5.13.- Desbalance o Asimetría de Tensión...65

5.14.- Variación de la Frecuencia Fundamental...65

5.15.- Resumen de la Caracterización de las Perturbaciones Electromagnéticas. ...67

5.16.- Referencias Bibliográficas...68

VI.- SOLUCIONES DE PROBLEMAS DE CALIDAD DE POTENCIA. ...69

6.1.- Técnicas de Control de Armónicos...70

6.2.- Técnicas de Control de Flicker...71

6.3.- Técnicas de Control de Sag, Swell y Transitorios...72

6.4.- Referencias Bibliográficas...75

VII.- REGLAMENTOS Y NORMAS TÉCNICAS. ...76

7.1.- Porque Limitar la Calidad de Potencia?...76

7.2.- Diferencias entre un Reglamento y una Norma Técnica...76

7.3.- Normas y Reglamentos de la Ley Orgánica del Servicio Eléctrico. ...78

7.3.1.- Reglamento de Servicio...78

7.3.2.- Normas de Calidad del Servicio de Distribución de Electricidad (NCSDE). ...79

7.3.3.- Normas de Fiscalización...80

7.4.- Normas Técnicas...81

7.4.1.- IEC...81

7.4.2.- IEEE/ANSI. ...82

7.4.3.- Normas Técnicas Venezolanas. ...83

7.5.- Referencias Bibliográficas...85

VIII.- METODOLOGÍA PARA REALIZAR ESTUDIOS DE CALIDAD DE POTENCIA. ...86

8.1.- Como Comenzar a Identificar el Problema ?. ...87

8.2.- Identificando los Tipos Cargas Sensibles a Perturbaciones dentro de la Instalación bajo Estudio...87

8.3.- Síntomas Típicos de Problemas a Causa de Perturbaciones Eléctricas. ...88

8.4.- Causas Típicas de Perturbaciones Causadas dentro de una Instalación Eléctrica. ...88

8.5.- Causas Típicas de Perturbaciones Causados desde el Sistema de Distribución hacia una Instalación. ...88

8.6.- Límites de Inmunidad de las Cargas Sensitivas a las Perturbaciones. ...89

8.7.- Incógnitas que se deber Responder el Auditor de Calidad de Potencia. ...89

8.8.- Inspección a la Instalación Eléctrica (Suscriptor)...90

8.9.- Inspección al Circuito de Distribución (Distribuidora)...91

8.10.- Mediciones de Parámetros Eléctricos. ...91

8.11.- Para que Medir ?. ...91

8.12.- Interpretando los Resultados. ...92

8.13.- Problemas Típicos al Instalar los Registradores...92

8.14.- Referencias Bibliográficas...94

IX.- CASOS PRÁCTICOS. ...95

9.1.- Resumen de Estudios de Calidad de Potencia realizados por ENELVEN en el Primer Semestre del 2005...95

9.2.- Caso: Reclamo de Calidad de Producto Técnico en una Clínica Ubicada en la Ciudad de Maracaibo. ...97

9.3.- Caso: Circuito de Distribución y Planta de Generación. ...102

9.4.- Caso de Reclamo de Calidad de Producto Técnico en una Instalación Ubicada en una Zona Foránea de ENELVEN (Alcaldía). ...105

9.5.- Caso de Flicker y Sags en un Circuito de Distribución. ...111

X.- ANEXOS...116

10.- Glosario de Términos y Conceptos...116

10.1.1.- Referencias Bibliográficas. ...121

10.2.- Abreviaturas. ...121

10.3.- Paginas Web Referidos al Tema de la Calidad de Potencia. ...123

(5)

I.- INTRODUCCIÓN.

Los crecientes desarrollos tecnológicos en las últimas décadas han conllevado al uso de cargas basadas en electrónica, susceptibles a perturbaciones tales como; distorsión armónica, fluctuaciones rápidas de tensión (Flicker), transitorios, Sags, Swell entre otros. Por este motivo los usuarios, en especial los de sectores industriales, que dependen de procesos productivos en ocasiones las 24 horas diarias durante todo el año, exigen a las empresas eléctricas una Calidad de Potencia Eléctrica tal que no afecte sus procesos productivos.

En Venezuela el ejemplo más representativo de estas industrias es el sector petrolero, en el cual en los últimos 10 años se ha masificado el uso de variadores de frecuencia (Bombas Electro Sumergibles, equipos basados en electrónica de potencia) utilizados en los pozos de extracción de petróleo. Estos equipos trabajan durante todo el año y cualquier perturbación que cause la parada no planificada los mismos retrazaran la generación de los recursos esperados durante un período determinado a causa de problemas en la Calidad de Potencia Eléctrica entregada por la empresa de servicio eléctrico.

Aunque el desempeño de un equipo o sistema puede ser evaluado mediante diversas pruebas, debe tenerse en cuenta que la operación en el entorno electromagnético real puede ser mucho más compleja que una prueba en laboratorio, bajo condiciones controladas, dada la existencia de múltiples fuentes de perturbación y de sistemas sensibles que interactúan simultáneamente. Garantizar la Compatibilidad Electromagnética de dispositivos, equipos y sistemas eléctricos y electrónicos es una exigencia clave de la calidad de su operación.

Figura I-1. Onda Senoidal de 60 Hz.

(6)

Si bien es cierto que la Energía Eléctrica puede ser entregada con deficiencias por parte de la Distribuidora, su calidad también puede ser afectada por falta de mantenimiento e inversión, deficiencias del diseño de la instalaciones de los usuarios, típicamente por violaciones del Código Eléctrico Nacional y por no tomar en cuenta recomendaciones internacionales especializadas como la IEEE 1100 “Powering and Grounding Electric Equipment”, entre otras.

El estudio de la Calidad de Potencia Eléctrica en Instalaciones Eléctricas y Redes de Distribución es un tema importante tanto para las empresas eléctricas como para los usuarios, ya que permite identificar posibles problemas y adoptar las soluciones requeridas en cada caso. Por la misma exigencia de los usuarios de obtener calidad que garantice una operación “normal” de sus equipos, el Estado (Gobierno) en la mayoría de los países industrializados y en vía de ellos, han desarrollado “Marcos Regulatorios” con el fin de mantener una Calidad de Potencia Eléctrica dentro de un parámetro técnico – económico aceptable. Como se observa en la figura I-2 para las empresas eléctricas a mayor calidad los costos se incrementan ya que se requiere de grandes inversiones tanto en obra como de mantenimiento. En cambio cuando a los usuario se les suministra energía de baja calidad sus costos se incrementan debido a la parada de sus procesos o daños en sus equipos. Por este motivo debe existe un equilibrio técnico – económico el cual es definido por las Leyes y Reglamentos Técnicos.

Figura I-2. Equilibrio entre Costo y Calidad tanto de las Empresas Eléctricas como de los Usurarios.

Este manual toca en detalle aquellos temas relacionados con la Calidad de Potencia Eléctrica, excepto los relacionados a problemas que puedan ser causados por cableados, conexiones, protecciones y puesta a tierra en redes de distribución e instalaciones eléctricas.

Este trabajo tiene como objetivo el de generar un documento técnico donde se presenten los conocimientos básicos en el tema de la Calidad de Potencia Eléctrica, los cuales son los basamentos del análisis y supervisión de la Calidad de Producto Técnico, el que se encuentra enmarcado en las Normas de la Ley Orgánica del Servicio Eléctrico.

Total

Empresa Eléctrica

Usuario

(7)

II.- QUE ES LA CALIDAD DE POTENCIA ?.

En la actualidad no existe un concepto unificado a nivel mundial. Muchas organizaciones le han dado interpretaciones. Para definir a la Calidad de Potencia primero hay que comenzar con el nivel superior el cual es la “Calidad de Servicio Eléctrico”. Esta es la totalidad de las características técnicas y administrativas relacionadas a la distribución, transmisión y generación de la energía eléctrica que le otorgan su aptitud para satisfacer las necesidades de los usuarios. Luego se subdivide en dos áreas, la comercial y la técnica definido, por la “Calidad de Servicio Comercial” y la “Calidad de Energía Eléctrica” (ver figura II-1).

Figura II-1. Esquema de la Calidad del Servicio Eléctrico.

(8)

La Calidad de Producto Técnico es una derivación de la Calidad de Potencia y estudia solo alguno de los fenómenos relacionados con la tensión como son la: regulación de tensión, flicker y armónicos de tensión. La mayoría de las Normas de Calidad de Servicio Eléctrico en Latino-América definen a la Calidad de Producto Técnico como la calidad de la señal de tensión y a la Calidad del Servicio Técnico como a las interrupciones del servicio eléctrico. Excepto los reglamentos de Chile y Argentina, el resto no controlan los fenómenos relacionados con la corriente, solo tratan los aspectos de la calidad de la onda de tensión. La consecuencia de excluir de las regulaciones y normativas la señal de corriente, es debido a que las cargas conectadas a los sistemas eléctricos no son en su totalidad lineales, adicionalmente la mayoría de los sistemas son mallados, por lo tanto una perturbación puede verse reflejada o afectar a una red vecina. Debido a esto, en la Calidad de la Energía debe involucrarse tanto a la fuente como a la carga o lo que es lo mismo a las señales de tensión y corriente, así como las interrupciones contabilizadas a través de los índices de confiabilidad.

2.1.- Puntos de Vista de los Usuarios y de las Empresas de Suministro Eléctrico.

Las empresas eléctricas son las responsables de mantener un nivel estable de la tensión hasta el medidor de energía, es decir, hasta el equipo de facturación. Este equipo señala la frontera entre la empresa distribuidora y el inicio de las instalaciones de los usuarios. El mantenimiento y operación de las instalaciones después del medidor de energía son responsabilidad del usuario. Frecuentemente, cuando ocurren perturbaciones de la tensión, se culpa a la empresa de servicio eléctrico, sin verificar si el problema es interno.

Figura II-2. Frontera entre La Empresa Distribuidora y los Usuarios.

2.2.- Razones para Mantener la Calidad de Potencia Eléctrica Bajo Control.

Tipo de carga.

Procesos industriales críticos.

Pérdidas de producción.

Operación errática.

Envejecimiento acelerado de los

equipos.

Avería de equipos.

Pérdida de información.

Frontera Usuarios

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2.3.- Razones para Estudiar la Calidad de Potencia Eléctrica.

La principal razón para estudiar la Calidad de la Energía Eléctrica es la de satisfacer los requerimientos de los usuarios. Estas razones se pueden desglosar en:

Legislación.

Pérdidas.

Aumento de Riesgos.

Ignorancia.

Costos de Operación.

Uso Racional de la Energía.

Crecimiento de la Instalación.

Operación errática de Equipos y

artefactos eléctricos.

Redes Obsoletas.

Incremento de Equipos Electrónicos.

Incremento de la Susceptibilidad de

sistemas.

Reducción de la vida útil de equipos y

artefactos eléctricos.

Incremento de interconexiones.

Ubicación geográfica.

Permite proteger y dar confiabilidad a

las cargas.

2.4.- Síntomas Típicos de Problemas de Calidad de Potencia Eléctrica.

Entre los síntomas típicos atribuibles a la calidad de energía eléctrica se destacan:

Operación errática de equipos.

Reseteo de equipos de computación.

Equipos Quemados.

Disminución de su vida útil esperada.

Titilación de la iluminación.

Corriente por conductores de tierra.

Reinicio inesperado de

computadores.

Oscilaciones en pantallas de

computadores.

Daños asociados a transferencias red –

planta.

Sobrecalentamiento en

trans-formadores, interruptores, motores, etc.

Sobrecarga de conductores de neutro.

Operación no deseada de protecciones.

Ruido audibles en interruptores.

Fallas en UPS´s al hacer

transferencias.

2.5.- La Calidad de Potencia Eléctrica en la Ley Orgánica del Servicio Eléctrico de Venezuela.

La calidad del servicio eléctrico representa una medida del nivel de satisfacción del usuario con relación al servicio y la atención que recibe de la empresa eléctrica. En ella también convergen un conjunto de propiedades básicas inherentes a la prestación del servicio eléctrico que tienden a maximizar su confiabilidad.

Figura II-3. Antes de la Ley Orgánica del Servicio Eléctrico.

(10)

Antes de la promulgación de la Ley Orgánica del Servicio Eléctrico, el funcionamiento de las empresas de servicio eléctrico estaba dividido en dos grandes bloques: Bloque Comercial y Bloque Técnico, donde su administración se llevaba por indicadores internos, usando como referencia normas y procedimientos nacionales e internacionales, pero no de una forma coherente a nivel nacional.

Por la necesidad de asegurar al país la prestación de un servicio eléctrico al menor costo posible y con calidad, acorde con las necesidades de los clientes y el costo del servicio, que permita la óptima utilización de los recursos disponibles, se aprobó en 1999 la Ley del Servicio Eléctrico, convertida en Ley Orgánica en el año 2001. Esta Ley tiene como objeto establecer las disposiciones que regirán el sector eléctrico en el territorio nacional, el cual hasta ese momento no había contado con la normativa legal integral que ordenara de forma clara y metódica las disposiciones generales aplicables a la materia. Los únicos antecedentes están en la Ley de Servidores Eléctricos de 1928, los decretos Nº 2.363 y 2.364 de 1992 y el decreto Nº 1.558 de 1996, textos insuficientes para llenar el vacío existente.

Con la entrada en vigencia de la Ley Orgánica del Servicio Eléctrico, las cosas cambian en el sector eléctrico ya que ahora todos los procesos de las Distribuidoras deben alinearse a lo exigido en esta ley, sus reglamentos y normas con el fin de lograr un servicio de “Calidad” estableciéndose un mercado regulado bajo la tutela de un ente Regulador (MPE) y un Fiscalizador (Alcaldías).

Figura II-4. Con la Ley Orgánica del Servicio Eléctrico.

El sector de distribución de electricidad se convierte en un mercado “Regulado”, por un ente específicamente designado para tal fin, donde el “Regulador” dicta las pautas de la “Calidad” y también hace la función de árbitro. Los entes fiscalizadores, se encargan de vigilar a las distribuidoras y recibir la retroalimentación de quejas de parte de los usuarios (Figura II-5).

Medición y Facturación

Operación, Mantenimiento, y

Construcción

Suministro del Servicio de Energía Eléctrica con

“Calidad”

(11)

Figura II-5. Esquema del Mercado Regulado del Sector Eléctrico Venezolano.

De la Ley se derivan dos Reglamentos, el General y el de Servicio. En el Reglamento de Servicio se establecen derechos y deberes tanto de los usuarios y como de las empresa Distribuidora. Los niveles de “Calidad” exigidos a las empresas Distribuidoras, son establecidas en las Normas de Calidad de Servicio de Distribución y el cómo debe ser aplicado, se establece en las Normas de Fiscalización.

Figura II-6. Estructura de la LOSE (Junio del 2005). DISTRIBUIDORAS

ENELVEN, ENELCO, ENELBAR, ELECAR, ENTRE OTRAS....

REGULADOR MINISTERIO DE ENERGÍA Y

PETROLEO (MEP)

MERCADO ELECTRICO REGULADO

FISCALIZADOR ALCALDÍAS O ALGÚN OTRO

NOMBRADO POR EL ENTE REGULADOR

(12)

2.6.- Referencias Bibliográficas.

[1] McGranaghan M., Dugan R., Beaty W., “Electrical Power Systems Quality”, McGraw-Hill Books,

1996. Electrotek.

[2] Sánchez H., Acero G., Villasmil J., Saucedo J., Quintana C., “Calidad de la Energía Eléctrica –

CEL”, ACIEM, Colombia 2001.

[3] Nicolás Estaba, “Identificación, Análisis y Solución a los Problemas de Calidad de la Energía en

Sistemas Eléctricos”, CADAFE.

[4] “Reglamento de Servicio”, (Noviembre 2003), Gaceta Oficial # 37.825.

[5] “Norma de Calidad del Servicio de Distribución de Electricidad”, (Agosto 2004).

[6] Ydamis García, “Proyecto de Reglamento de Servicio”, XXXVII Mesa Redonda sobre la Industria

Eléctrica, “Servicio Eléctrico: Prioridad Nacional”, Puerto Ordaz, Estado Bolivar, Octubre 2003.

[7] Carlos Pérez Mibelli, “Regulacion del Sector Electrico Venezolano – Fundamentos e

Implicaciones de la Reforma”, Foro Regulatorio IESA – CAVEINEL, Septiembre 2003.

[8] Norma Técnica Colombiana NTC-5000, “Calidad de Potencia Eléctrica (CPE), Definiciones y

Términos Fundamentales”.

(13)

III.- COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (CEM).

Las interferencias electromagnéticas son señales que perturban el funcionamiento normal de un sistema eléctrico o electrónico, estas interferencias afectan la tensión, corriente y el campo electromagnético de los circuitos. Estas crean un problema a los equipos ya que alteran su funcionamiento, incapacitándolos para realizar la misión para la que fueron diseñados. Por tanto la CEM es hoy en día a nivel mundial una de las principales exigencias de calidad en los sistemas eléctricos.

La Unión Europea ha establecido la directiva de Compatibilidad electromagnética, de obligatorio cumplimiento que cubre un gran conjunto de sistemas y equipos eléctricos y electrónicos. En los Estados Unidos se encuentra la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) la cual impone restricciones a las emisiones radiadas y conducidas de los dispositivos digitales que sean comercializados en dicho país. La CEM cobra importancia a nivel de diseñadores e instaladores. Por eso adquiere importancia los esfuerzos en caracterizar las condiciones electromagnéticas particulares de cada país.

Uno de los factores que influyen en este tipo de dificultades es que los equipos en uso interfieren unos con otros, en su entorno electromagnético. Si todos los dispositivos pudieran coexistir en armonía, se generaría un entrono electromagnéticamente compatible. La adición de un equipo sin que se produzca Interferencia Electromagnética (IEM) significa entonces que el dispositivo tiene la propiedad de ser electromagnéticamente compatible

El concepto de compatibilidad de fuente y carga no es nuevo. La necesidad de proveer una energía eléctrica en régimen permanente de tensión y frecuencia constante, ha sido reconocido en la industria eléctrica desde hace mucho tiempo. La definición de régimen permanente ha cambiado con el transcurrir de los años, generando diferentes niveles de susceptibilidad de los equipos. La aparición de los equipos electrónicos ha cambiado la definición de régimen permanente. En este capitulo se desarrollaran los conceptos de Compatibilidad Electromagnética, Perturbación Electromagnética, Tipos de Acople, Interferencia Electromagnética, entre otros.

3.1.- Que es la Compatibilidad Electromagnética (CEM) ?.

Es la capacidad o aptitud de un equipo para no degradarse o afectarse, ni afectar a otros equipos por una perturbación electromagnética bien sea radiada o conducida. Un término clave relacionado con la compatibilidad electromagnética es el nivel de compatibilidad que no es mas que “el nivel de perturbación electromagnética usado como referencia en un entorno específico para la coordinación en el ajuste de las emisiones y límites de inmunidad”, por convención este nivel de compatibilidad es seleccionado para obtener solo una pequeña probabilidad de que sea excedido por el nivel de perturbación real.

Según la Norma Colombiana NTC-IEC 61000-1-1 [4], la Compatibilidad Electromagnética (CEM) es la capacidad de un dispositivo, equipo o sistema para funcionar satisfactoriamente en su ambiente electromagnético, sin introducir perturbaciones electromagnéticas intolerables a algo de lo que se encuentre en ese ambiente.

(14)

Los aspectos claves de la compatibilidad electromagnética son:

Funcionamiento Satisfactorio: Significa que el dispositivo es tolerable con los otros, es decir no

es susceptible a las perturbaciones presentes en su entorno.

No introducir perturbaciones intolerables: Significa que el dispositivo no molesta a los otros, es

decir, el dispositivo no es susceptible a las perturbaciones presentes en su ambiente.

Para que una perturbación electromagnética constituya un suceso potencialmente perjudicial, dependerá de estos factores:

El nivel de la perturbación: Magnitud y forma de onda, rango de frecuencia, contenido de energía, máxima tasa de variación, frecuencia de ocurrencia y duración.

La susceptibilidad del receptor o víctima: Respuesta de frecuencia, condiciones de diseño,

presencia de elementos de protección, materiales.

Las condiciones en las cuales se efectúe el acoplamiento: Por conducción o por radiación, características del medio de propagación, atenuación.

Donde: PE: Perturbación Electromagnética. C: Acoplamiento.

IE: Interferencia Electromagnética.

Figura III-1. Definición de interferencia electromagnética.

Por consiguiente la compatibilidad electromagnética tiene dos requerimientos:

1) Asegurar que las emisiones de perturbaciones electromagnéticas esten limitadas para un rango tolerable.

2) Asegurar que los equipos tengan el suficiente nivel de inmunidad para mantener el funcionamiento adecuado en presencia de perturbaciones electromagnéticas a las cuales están sujetos.

Estos requerimientos conciernen tanto a las perturbaciones de alta frecuencia que afectan especialmente los equipos de telecomunicaciones o equipos que realicen funciones de procesamiento de información, así como las perturbaciones de baja frecuencia que afecta a los equipos conectados a la redes de energía eléctrica en general.

Dependiendo del usuario final, del equipo o el proceso, el nivel de inmunidad, daño, operación o no efecto en si, existen variadas formas de corregir la incompatibilidad. Estas correcciones pueden ser realizadas por la empresa eléctrica, por el equipo en si o adicionando un acondicionador entre el sistema eléctrico y la carga.

Canal de Acoplamiento

Fuente Receptor

o Víctima

(15)

3.2.- Objetivos de la CEM.

Los objetivos de la Compatibilidad Electromagnética son:

Garantizar la libre instalación de aparatos.

Crear un entorno electromagnético aceptable.

Garantizar que las perturbaciones electromagnéticas producidas por aparatos eléctricos y

electrónicos no afectan al correcto funcionamiento de otros aparatos.

Contribuir a la mitigación de las perturbaciones.

Dictaminar pautas de protección.

Establecer límites y márgenes de operación.

Aumentar la confiabilidad de los procesos productivos.

Garantizar que el aparato tenga un nivel de inmunidad intrínseca que le permite funcionar de forma correcta.

3.3.- La Perturbación Electromagnética.

Es cualquier fenómeno electromagnético que pueda degradar o afectar el desempeño de un dispositivo, equipo o sistema. La fuente de una perturbación, por ejemplo puede ser una descarga electromagnética, que genere campos electromagnéticos que se propagan por radiación en la atmósfera (canal de acople) y perturban una instalación de comunicaciones o computación, induciendo sobretensiones y provocando la circulación de corrientes no deseadas.

La incompatibilidad electromagnética se controla mediante el diseño de equipos que cumplan con las pruebas normalizadas, el diseño de las redes, instalaciones adecuadas, el control y mantenimiento del entorno, y métodos de trabajo correctos.

3.4.- Tipos de Acoples.

Los acoples se pueden clasificar de acuerdo a su medio de propagación:

Conducidas:

Cuando se propagan mediante un conductor eléctrico que conecta la fuente con el receptor, por ejemplo: cables de suministro de energía o señal, pantallas, chasis metálicos, etc.

Radiadas:

Cuando la propagación se efectúa a través de campos electroestáticos o electromagnéticos.

3.5.- Interferencias Electromagnéticas.

Las interferencias son un problema cuando existe: un generador de perturbaciones, un circuito afectado y una trayectoria de acoplamiento. Se conocen tres maneras para eliminarlas: anularlas en la fuente, insensibilizarlas al receptor o disminuir la energía transmitida a través de la trayectoria de acoplamiento o una combinación de los tres. Las interferencias pueden clasificarse de acuerdo con su origen y pueden ser:

• Naturales, como las producidas por descargas atmosféricas, descarga electroestáticas (ESD).

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3.6.- Nivel de Compatibilidad Electromagnética.

El nivel de compatibilidad electromagnética puede definirse como el máximo grado de perturbación, que no debe afectar al correcto funcionamiento de cualquier aparato o equipo. El sistema emisor produce perturbaciones electromagnéticas, y el sistema receptor es afectado, en su funcionamiento, por el emisor. Los niveles de compatibilidad generalmente están basados en el 95% de probabilidad de no exceder los niveles de las perturbaciones.

3.7.- Nivel de Planificación.

Es el nivel de una perturbación en un entorno particular, adoptado como un valor referencial de límite para la emisión de grandes cargas e instalaciones, con el fin de coordinar estos límites con todos los límites adoptados para equipos conectados en el sistema eléctrico. El propósito de este es el de planificar y evaluar el impacto de las cargas de los usuarios en el sistema, se fija como valor objetivo a nivel de diseño. Ver figura III-2.

Figura III-2. Coordinación de Conceptos de CEM.

3.8.- Límites de Emisión.

Es el nivel de emisión máxima especificada de una fuente de perturbación electromagnética.

3.9.- Susceptibilidad e Inmunidad.

El término susceptibilidad y su opuesto, inmunidad se emplean para indicar la mayor o menor propensión de un dispositivo o equipo a resultar, afectado por las interferencias, es decir, el nivel de susceptibilidad de un equipo es la propiedad de éste para funcionar correctamente en un ambiente de interferencia. De igual manera se define a la inmunidad como la habilidad de un equipo o sistema de actuar sin degradarse ante una perturbación electromagnética y se refiere al caso opuesto de susceptibilidad, que no es más que la incapacidad de un equipo para actuar ante una perturbación de este tipo.

3.10.- Referencias Bibliográficas.

[1] IEC 1000-2-2, “Environment”, Part 2, Compatibility Levels for Low – Frequency Conducted

Disturbances and Signaling in Public Low – Voltage Power Supply Systems”.

[2] Cuaderno Técnico Schneider Nº 149: LA CEM: La Compatibilidad Electromagnética. Marzo 2002.

[3] “Understanding Electromagnetic Compatibility Phenomena”, Understanding (EMC) Phenomena,

Telemecanique.

[4] Norma Técnica Colombiana NTC-IEC 61000-1-1, “Compatibilidad Electromagnética, Parte 1.

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IV.- TIPOS DE CARGAS EN UN SISTEMA DE POTENCIA.

Desde la década de los 70´s el uso masivo de equipos electrónicos en el mundo ha sido exponencial. Luego del embargo petrolero en 1973 asociado al rápido incremento de los costos de energía, se creó un interés económico para utilizar convertidores de electrónica de potencia en grandes sistemas industriales y la utilización de compensación reactiva para minimizar los costos de la energía (ver figura IV-1). El desarrollo de equipos convertidores de potencia eficientes para soportar la evolución de la electrónica, enlazado con la conservación de la energía, ha cambiado, y los equipos basados en electrónica cada vez son más utilizados en instalaciones comerciales y residenciales donde el incremento del uso de equipos electrónicos domésticos basados en electrónica en especial los computadores personales. En la actualidad los niveles de Compatibilidad Electromagnética han sido sobrepasados por las perturbaciones generadas por el tipo de carga utilizado actualmente. A continuación en este capitulo se describirán los diferentes tipos de cargas existentes en un sistema eléctrico.

Figura IV-1. Cargas Típicas Conectados a un Sistema Eléctrico.

4.1.- Cargas Lineales.

Son las cargas cuya corriente graficada vs. la tensión aplicada, produce una línea recta. Estas cargas son las resistencias puras, inductancias y capacitancias.

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Figura IV-3. Relación corriente vs. tensión de una carga lineal.

4.2.- Cargas No Lineales.

Son las cargas compuestas por semiconductores. En estas cargas el gráfico de corriente vs. Tensión aplicado, no arroja una línea recta.

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Figura IV-5. Relación corriente vs. tensión de una carga no lineal.

En la figura IV-6, se observa cómo la tendencia a nivel mundial es a la masificación de las cargas no lineales. El mejor ejemplo es la masificación de los bombillos de alta eficiencia.

Figura IV-6. Tendencia Mundial del Uso de la Carga No Lineal.

4.3.- Carga Sensitiva.

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4.4.- Carga Crítica.

Los sistemas eléctricos alimentan equipos, los cuales son utilizados por usuarios, quienes califican la criticidad de las cargas alimentadas por esta señal, de acuerdo con su aplicación; es decir, un equipo de alta cirugía es crítico no por el equipo en sí, ni por su tecnología, sino por la necesidad de que aquel funcione satisfactoriamente para que el cirujano pueda realizar adecuadamente su trabajo. La criticidad la da la aplicación o el proceso en si mismo. En general el sistema eléctrico alimenta cargas que pueden ser industriales, comerciales o residenciales y es el usuario quien le da la criticidad determinada de acuerdo con sus necesidades.

Otro punto es la susceptibilidad, la cual consiste en el nivel absoluto de inmunidad que tenga un equipo, un dispositivo o sistema a las diferentes categorías de perturbaciones producidas en un sistema eléctrico. La carga puede ser crítica o no dependiendo de la aplicación, susceptibilidad y percepción del usuario sobre su uso o aplicación.

4.5.- Razones para Incrementar la Sensitividad de las Cargas.

Las tensiones transitorias inducidas por descargas eléctricas atmosféricas o por operaciones de maniobras pueden producir degradación o falla inmediata del aislamiento en todas las clases de equipos. La elevada magnitud de tensión y el rápido crecimiento de la onda de tensión, contribuye a la ruptura del aislamiento de los equipos eléctricos; tales como motores, generadores, transformadores de tensión y de corriente, condensadores y cables entre otros. Las fallas en componentes de las fuentes de poder de equipos electrónicos, pueden ser debidas a transitorios de tensión de relativamente baja magnitud.

El problema más común asociado con las interrupciones y las variaciones de tensión (subidas y bajas) de corta duración, es la parada del equipo. En muchas industrias con cargas de procesos críticos, los fenómenos instantáneos de corta duración pueden causar paradas del proceso que requieren horas para reiniciarlo. Por lo general durante un evento de caída de tensión de corta duración, la cantidad de luz visible de algunos dispositivos de iluminación puede ser reducida o producirse un ligero cambio de velocidad en máquinas de inducción.

4.6.- Referencias Bibliográficas.

[1] IEEE Std. 1100-1999, “Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Electronic Equipment Emerald Book”.

[2] Sánchez H., Acero G., Villasmil J., Saucedo J., Quintana C., “Calidad de la Energía Eléctrica

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V.- CARACTERÍSTICAS, TIPOS, CAUSAS Y EFECTOS DE LAS

PERTURBACIONES ELECTROMAGNÉTICAS.

La calidad de la potencia en una instalación está sujeta a variaciones que dependen de muchos factores, algunos de estos pueden ocurrir fuera o dentro de la instalación eléctrica asociada a una red de distribución. La responsabilidad de la compañía eléctrica es la de suministrar potencia adecuada a los terminales de la instalación en el punto de servicio. Dependiendo de la magnitud y duración de las perturbaciones del suministro de energía eléctrica en las líneas de transmisión y distribución, las cuales son supervisadas en el punto de servicio o medición, pueden afectar la operación de algunos o de todos los equipos en la instalación.

El usuario final debe enfrentar tanto las perturbaciones de suministro de energía eléctrica entregadas en el punto de servicio por la empresa eléctrica, como los problemas inducidos por los equipos propios instalados dentro de la edificación, como por ejemplo, bajas de tensiones o Sags debido al arranque de grandes motores, etc. Este capítulo presenta una breve descripción de la naturaleza de los problemas de la calidad de potencia, posibles soluciones y los recursos disponibles para combatir estos problemas.

También se presentan los diferentes fenómenos electromagnéticos caracterizados por las normas IEC y la IEEE. La IEC clasifica a los fenómenos electromagnéticos como se muestra en la figura V-1.

Los fenómenos en régimen permanente poseen los siguientes atributos: • Amplitud.

• Frecuencia. • Espectro. • Modulación.

• Fuente de Impedancia.

• Profundidad del Notch. • Área del Notch.

Los fenómenos en régimen transitorios posee los siguientes atributos: • Amplitud.

• Duración. • Espectro. • Frecuencia.

• Rata de ocurrencia. • Energía potencial.

• Fuente de impedancia.

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Principales Fenómenos que Causan Perturbaciones Electromagnéticas Caracterizadas por la IEC

Figura V-1. Clasificación de las Perturbaciones Electromagnéticas según la IEC 61000-2-5. 1.- Fenómenos Conducidos

de BajaFrecuencia.

• Armónicos. • Ínter armónicos.

• Fluctuaciones de Tensión. • Dips (Sags).

• Interrupciones. • Desbalance de Tensión. • Variaciones de Frecuencia.

• Tensiones Inducidas de Baja Frecuencia. • Presencia de DC en sistemas AC.

2.- Fenómenos Radiados de BajaFrecuencia.

• Campos Magnéticos. • Campos Eléctricos.

3.- Fenómenos Conducidos

de AltaFrecuencia. • Transitorios Unidireccionales.

• Transitorios Oscilatorios.

4.- Fenómenos Radiados de AltaFrecuencia.

• Campos Magnéticos. • Campos Eléctricos. • Campos Electromagnéticos. • Transitorios.

5.- Fenómenos de Descargas Electrostáticas (ESD).

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5.1.- Transitorios.

5.1.1.- Características.

Los transitorios son perturbaciones de corta duración, en la forma sinusoidal de la tensión, que se evidencia por una breve discontinuidad en la forma de onda. Son de polaridad positiva o negativa y básicamente pueden ser divididas en dos categorías: tipo impulso y tipo oscilatorio.

Figura V-2. Representación de transitorio de impulso y oscilatorio.

Si la señal principal es retirada, la onda resultante es la componente pura del transitorio, se considera a un transitorio tipo impulso cuando el 77% del voltaje pico-pico de la componente pura, es de una sola polaridad. Cada tipo de transitorio puede subdividirse en tres tipos, según sus frecuencias y a su vez pueden ser asociados con una serie de fenómenos que ocurren en los sistemas de potencia.

5.1.2.- Tipos.

Transitorios tipo Impulso:

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Figura V-3. Transitorio de impulso sustractivo y aditivo.

Transitorios Tipo Oscilatorio:

Los transitorios de alta frecuencia pueden deberse a maniobras de interrupción o a elementos de electrónica de potencia; los de media frecuencia pueden ocurrir con la energización de un banco de condensadores en las proximidades de otro ya instalado.

Figura V-4. Transitorio de oscilación.

La energización de un banco de transformadores produce un transitorio de tensión oscilatorio, típicamente con una frecuencia fundamental entre 300 y 900 Hz. El transitorio tiene un pico de magnitud que puede acercarse a 2.0 p.u., pero es típicamente de 1.3 a 1.5 p.u. y la duración es aproximadamente de 8 mili segundos, dependiendo de la amortiguación del sistema. La frecuencia de los tipo oscilatorio varían en un rango de 0.5 y 5 MHz.

5.1.3.- Causas.

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Figura V-5. Densidad de Descargas en Venezuela. Figura V-6. Descarga Atmosférica.

Los transitorios tipo impulso pueden excitar la frecuencia natural de los circuitos del sistema y producir oscilaciones transitorias. Las tensiones transitorias causadas por descargas atmosféricas o maniobras pueden resultar en la degradación, ruptura o falla inmediata del dieléctrico o aislamiento en toda clase de equipos, en especial los eléctricos como máquinas rotatorias, transformadores, condensadores, cables, CT’S, PT’S e interruptores.

Los de baja frecuencia son encontrados en sistemas de sub. transmisión y distribución, éstos pueden ocurrir por gran variedad de eventos, tales como, energización de bancos de condensadores y de transformadores.

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5.1.4.- Efectos.

En un equipo electrónico, las fallas de los componentes de la fuente de poder pueden resultar de un transitorio de magnitud relativamente baja.

Figura V-8. Resumen de los Efectos de los Transitorios en los Equipos Electrónicos.

5.2.- Caídas de Tensión (Sags o Dip) de Corta Duración.

5.2.1.- Definición.

Son variaciones de tensión que normalmente son causadas por condiciones de falla, energización de cargas que requieren altas corrientes de arranque o la pérdida intermitente de las conexiones en el cableado de potencia.

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Al producirse una falla, dependiendo de su ubicación, tipo y las condiciones del sistema, se puede variar la onda de tensión disminuyendo su valor, lo que originaria una caída de la tensión (Sag), su duración es igual o menor a 1 minuto. La estimación de las variaciones de cortas duración requiere la medición de la desviación de la tensión con respecto al valor de referencia y la duración en la cual se mantiene por debajo de un nivel establecido.

Figura V-10. Representación de un depresión de tensión (Sag).

Las definiciones de las caídas de tensión (Sag), llamados también (Dip) en Europa, son conocidos como huecos o depresiones de tensión. El estudio de esta perturbación eléctrica ha evolucionado durante los últimos quince años, debido a la facilidad que se tiene ahora para medirlos a través de equipos de precisión. Los huecos de tensión (Sags, Dips) es definido por la IEEE 1159-1995 [6] como una disminución entre 0.1 y 0.9 p.u en tensión rms a la frecuencia del sistema con duraciones de entre 0.5 ciclos a 1 minuto.

El Sags comienza desde el momento en que la tensión rms cae debajo de el 0,9 p.u de la tensión nominal hasta cuando sube de nuevo a 0,9 p.u, según se puede notar en las figuras anteriores. En ambas la escala del tiempo está dada en ciclos. Los huecos de tensión se pueden clasificar de muchas maneras, una de ellas por su duración y esta: los momentáneos, los temporales.

En la terminología de IEEE, el Sags es caracterizado como la tensión remanente, para el caso de la figura V-11 seria 70% de 120 V o la nominal, 84 V remanentes. En Europa, la terminología IEC considera al Dip como lo opuesto. Una tensión reducción a 84V significaría un Dip de 30%.

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5.2.2.- Causas.

Entre las causas típicas de los Sags se encuentran:

•Energización y cambio de taps de grandes transformadores.

•Energización de cargas grandes.

•Corto circuitos.

•También se pueden generar por la demanda de electricidad de los clientes del sistema eléctrico,

ya que al superar la demanda a la capacidad del sistema puede producirse este fenómeno.

Cuando ocurre una falla en el sistema eléctrico, los interruptores y reconectadores son los equipos destinados a reconectar el sistema después de extinguida la falla, sus tiempos de acción están dentro de 5 segundos, pero cuando estos equipos intentan un recierre después de una falla y ésta no ha sido despejada, están presentes y se inyectan al sistema estos huecos en la tensión. Según estudios realizados en la universidad de Virginia del Norte, el 46% de los sucesos que ocurrían para producir los huecos de tensión, eran los fenómenos ambientales tales como: viento o relámpagos. Y la otra gran causa eran fenómenos desconocidos que producían huecos de tensión en un 26%, estudio que fue realizado para sistemas de distribución.

Figura V-12. Sags típicos en Función del Tipo de Falla.

5.2.3.- Efectos.

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La influencia del Sags va a depender de: •El nivel de la caída de la tensión.

•La duración del hueco.

•La distancia donde se origina la perturbación.

•La sensibilidad del equipo a los huecos.

En los equipos de iluminación incandescentes el efecto es una reducción visible de la iluminación. En los equipos de iluminación con dispositivo electrónico, si el valor del Sags supera el nivel de tensión mínimo de funcionamiento, éste se apagará. En el caso de los motores de inducción puede producirse un ligero cambio de la velocidad.

5.3.- Sobre Tensiones (Swells) de Corta Duración.

5.3.1.- Definición.

Las sobre tensiones, también llamadas Swell, son incrementos en más del 10% de la tensión rms a la frecuencia del sistema por tiempos desde 0.5 ciclos hasta 1 min. Los valores típicos son de 1.1 hasta 1.8 p.u.

Figura V-13. Medición de una Sobre Tensión (Swell).

5.3.2.- Causas.

Así como los Sags, los Swells están usualmente asociados a condiciones de fallas monofásicas en el sistema, energización de bancos de condensadores o de transformadores, incrementando el valor del voltaje en las fases sin falla. Estos se presentan especialmente en sistemas sin puesta a tierra o sistemas en delta o con neutro flotante, donde el cambio súbito en la referencia de la tierra resulta en un incremento de la tensión en las fases sin contacto con tierra.

(30)

de las subestaciones están conectados en delta-estrella, proporcionando un camino de baja impedancia para la corriente de falla.

Por otra parte, los Swells también pueden ser generados por una disminución súbita de la carga. La interrupción abrupta de la corriente puede generar un voltaje considerable, por la fórmula: v = L di/dt, donde L es la inductancia de la línea y di/dt es el cambio en el flujo de la corriente. Energizar un gran banco de condensadores también puede causar un Swell, aunque es más frecuente que origine un transitorio tipo oscilatorio.

5.3.3.- Efectos.

Los efectos de un Swell frecuentemente son más destructivos que los de un Sag. La condición de sobrevoltaje puede causar el daño en los componentes de los equipos de la red de distribución, aunque el efecto puede ser un gradual efecto acumulativo.

El incremento en el rendimiento de la iluminación incandescente puede ser perceptible si la duración del fenómeno es más larga de tres ciclos, así en general, el efecto de este fenómeno en los equipos está relacionado según la duración y magnitud (%) en el cual el voltaje excede la tensión nominal.

5.4.- Interrupciones.

5.4.1.- Definición.

Se define una interrupción como la pérdida completa de la tensión (< 0.1pu) en una o más fases en un tiempo determinado. Las interrupciones ocurren cuando la tensión suministrada o la corriente de carga decrecen a menos de 0.1 en p.u., en una o varias fases por un período que no exceda el minuto. Pueden ser momentáneas, temporales o sostenidas. Las interrupciones momentáneas duran entre 8 ms y 3 s, las temporales duran entre 3s y 60s, y las sostenidas duran más de 60 s.

Es importante destacar la diferencia entre una interrupción y un Sag, una interrupción es la pérdida completa del voltaje (menos del 10% del nominal) mientras que un Sag puede disminuir hasta un 90% del voltaje nominal (debe haber entre 10 y 90% del nominal) pero no ocurre la pérdida total de la tensión.

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Las salidas o interrupciones pueden ser el resultado de fallas en las líneas del sistema, fallas de equipos y mal funcionamiento de los controles. Son medidas en duración desde que la magnitud de tensión se encuentra a menos del 10% de la nominal. La duración de las interrupciones depende del tipo de falla ocurrida y del diseño de los elementos de protección del sistema. Si la falla es debida a una operación errónea de equipos de control o por malas conexiones, el tiempo de la interrupción por lo general puede durar varios minutos.

5.4.2.- Causas.

Las interrupciones momentáneas son frecuentemente debidas a las prácticas automáticas de recierre (reclosing) de circuitos, las cuales son empleadas para despejar las fallas temporales en el sistema de potencia. Con el recierre automático de circuitos, una línea o circuito de distribución fallado es desenergizado por un período corto de tiempo (usualmente llamado “tiempo muerto”) y luego es energizado nuevamente. El período de tiempo muerto permite que la falla sea despejada y toda la ionización en el aire circundante al aislador “fogoneado” (flashover) sea disipada. Las prácticas varían entre emresas, así en algunas prácticas el tiempo muerto empleado es menor a 12 ciclos y en otras es empleado un tiempo muerto mayor de 1 minuto, aunque en la practica más usual es hacer un primer “intento” con un tiempo muerto de pocos ciclos y un segundo intento con un tiempo muerto de varias decenas de segundos. Cuando el tiempo muerto es tan rápido como el permitido por el equipo de recierre, se le denomina operación de “recloser” instantánea y usualmente implica tiempos muertos menores a 1 segundo. Se puede notar que en algunos casos el empleo de tiempos muertos suficientemente largos podría causar interrupciones temporales y no momentáneas. Otras causas de interrupciones momentáneas incluyen los switches de transferencia automática (transfiriendo carga de una fuente a otra), conexiones intermitentes pobres y fallas adyacentes a la carga que disminuye la tensión a menos de 0.1 p.u.

5.4.3.- Efectos.

El problema más crítico asociado a interrupciones, depresiones y alzas de tensión, es el apagado de equipos. En varias industrias de procesos con cargas críticas, los fenómenos instantáneos pueden producir apagones, requiriendo horas para arrancar de nuevo. La revisión es importante, porque frecuentemente es difícil determinar en los efectos observables, cuál perturbación causa la falla. Las interrupciones instantáneas pueden afectar equipos electrónicos y de iluminación, causando mala operación o apagones. Tales equipos incluyen operadores electrónicos, computadoras y controles de máquinas rotatorias.

5.5.- Variaciones de Tensión de Larga Duración.

5.5.1.- Tipos.

Sub Tensiones.

Son tensiones con valor inferior a la tensión nominal durante más de un minuto. Los valores típicos varían entre 0.8 y 0.9 p.u y son el resultado de eventos inversos a los que causan sobre tensiones. El energizar grandes cargas, o desactivar bancos de condensadores, puede causar una baja de tensión mientras que los equipos de regulación proporcionan un nivel aceptable. Los circuitos sobrecargados también pueden resultar en caídas de tensión.

Sobre Tensiones.

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Interrupciones Sostenidas.

Una interrupción sostenida es la pérdida completa de la tensión, usualmente con duración desde 1 minuto hasta varias horas, o días. Algunas pueden ser clasificadas como temporales o permanentes, típicamente en estos casos se puede requerir intervención de cuadrillas de reparación para restaurar el servicio. Las interrupciones prolongadas son el tipo de perturbación más fácil de reconocer. Se presentan ordinariamente como resultado de fallas eléctricas permanentes. Las empresas de servicio de energía eléctrica diseñan los sistemas de distribución eléctrica tomando en cuenta la manera de aislar las fallas permanentes y las consecuentes interrupciones para dejar el menor impacto posible. Por otra parte, la interrupción forzada es aquella que resulta de la asociación directa de las condiciones de un componente que requiera ser puesto fuera de servicio inmediatamente, incluso automáticamente o aquella que puede ser causada por error humano.

5.5.2.- Efectos.

Las sobre tensiones y subtensiones de duración mayor al minuto pueden causar problemas, aunque son menos propensas a ocurrir en alimentadores, ya que las empresas distribuidoras tratan de regular la tensión en el peor de los casos en más o menos un 10%, sin embargo, pueden ocurrir por alimentadores sobrecargados, ajustes incorrectos de cambiadores de toma en transformadores, fusibles fundidos en bancos de condensadores, y bancos de compensación reactiva en servicio bajo condiciones de carga.

Las subtensiones por más de un minuto de duración, pueden causar mal funcionamiento en cargas rotatorias debido al calentamiento excesivo por incremento de la corriente y cambios de velocidad de rotación, dejando fuera de operación las cargas electrónicas. Las sobre tensiones producen daños inmediatos en equipos electrónicos. Generalmente transformadores, cables, barras, interruptores y las máquinas rotatorias no se ven afectadas, aunque sobre tensiones sostenidas pueden acortar la vida útil del aislamiento.

5.6.- Curva ITIC (CBEMA).

El origen de la curva CBEMA data de 1977 cuando la “Computer and Business Equipment Manufactures Association´s (CBEMA). Básicamente se pueden diferenciar entre el grupo de perturbaciones de tensión: los transitorios, los huecos de tensión (Sags), sobre tensiones (Swell) e interrupciones en sus varias clasificaciones.

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La norma IEEE 1159-95 clasifica las interrupciones de acuerdo a los conceptos explicados anteriormente. La organización “Information Tecnology Industry Country” propone una curva se sensitividad de los equipo electrónicos a los diferentes tipos de perturbaciones definidos por la IEEE 1159-95 (ver figura V-15) la cual se suele denominar la curva ITIC por sus sigla en Ingles. En curva fue publicada en la IEEE 1100. En esta curva se refleja la sensitividad de los equipos electrónicos a los diferentes tipos de perturbaciones definidos por la IEEE 1159 -1995, es definida por la organización “Information Tecnology Industry Country”, mediante la curva llama “ITIC” por las siglas de la organización (ver figura V-16). Esta curva fue publicada en norma IEEE Std. 1100-1999.

Figura V-16. Curva “ITIC” publicada en la IEEE 1100 de 1999 y su fuente original www.itic.org. 1 µs

0.5 c

3 ms 20 ms 0.5 s 10 s Steady

State

0.001 c 0.01 c 0.1 c 1 c 10 c 100 c 1000 c

Duration of Disturbance inCycles (c)andSeconds (s) 500

400

300

200

100

0

1 ms Voltage-Tolerance

Envelope

140

120 110

90

70

40 80

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La curva “ITIC” describe los límites típicos que una carga sensitiva puede tolerar durante una perturbación de la tensión. Esta curva está especificada para cargas conectadas en 208Y/120V y 120/240 en sistemas con una frecuencia de 60 Hz. La región interna de la curva descrita en la figura V-17, es donde las cargas sensitivas son inmunes a ese tipo de perturbación y las dos regiones fuera de los límites establecen una pérdida de éste.

(35)

5.7.- Armónicos.

5.7.1.- Definición.

El concepto de análisis armónico viene del teorema matemático desarrollado por el Francés Jean Babtiste Joseph Fourier. En esta se describe que toda función periódica puede ser representada por una serie infinita de funciones seno y coseno múltiples de la frecuencia fundamental, las cuales son llamadas Series de Fourier.

Para una función de tiempo:

f(t) = a0 +

Σ

Cn sin (nωt + 0n ) (Ec. V-1)

n=1

Donde Cn es la magnitud y 0n es el ángulo de fase de cada una de las n frecuencias armónicas ω = 2

πƒ.

Es de destacar que el análisis armónico, lo que es lo mismo un análisis de fourier es un modelo matemático de las señales de tensión y corriente. La onda distorsionada que actualmente fluye a través del circuito no es un grupo de ondas senos de diferentes frecuencias.

Es la componente sinusoidal de una onda periódica a una frecuencia múltiplo entero de la frecuencia fundamental (60 Hz). [3] Una “armónica” es la componente sinusoidal de una onda periódica a una frecuencia múltiplo entero de la frecuencia fundamental (60 Hz).

Figura V-18. Ejemplo de descomposición en Diferentes Frecuencias de una Onda Distorsionada.

Por ejemplo, una componente de frecuencia al triple de la frecuencia fundamental es llamada tercer armónico que sería 3* 60 o 180 Hz (ver figura IV-18). Por lo tanto, en un sistema de potencia a 60 Hz, una componente armónica h, es una sinusoide que tiene una frecuencia expresada como:

h = n * 60 Hz (Ec. V-2) donde,

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La corriente armónica distorsiona la tensión al interactuar con la impedancia del sistema originando fallas en condensadores, transformadores, conductores neutros, motores, operación errática de relés, etc. Los armónicos característicos son aquellos armónicos producidos por equipos convertidores semiconductores en el curso de la operación normal. En un convertidor de seis (6) pulsos, los armónicos característicos son: 5, 7, 11, 13, etc.

h = k*q ± 1 (Ec. V-3)

donde,

h: orden del armónico. k: número entero.

q: números de pulsos del convertidor.

Los armónicos no característicos son también producidos por equipos convertidores semiconductores en el curso de la operación normal. Por otro lado estos pueden ser el resultado de frecuencias oscilatorias; una desmodulación de armónicos característicos y la fundamental; o un desbalance en los sistemas de potencia AC, el ángulo de retardo asimétrico, o el funcionamiento del ciclo convertidores.

5.7.2.- Causas.

Convertidores de Gran Potencia.

Son aquellos cuya potencia nominal es mayor a 1 MW . Generalmente tienen mucha más inductancia en el lado de corriente continua que en el de corriente alterna; por lo que la corriente continua es prácticamente constante y el convertidor actúa como una fuente de tensión armónica en el lado corriente continua y como una fuente de corriente armónica en el lado de corriente alterna. Con un sistema perfectamente simétrico, las corrientes resultantes son exactamente iguales en todas las fases.

Convertidores de Mediana Potencia.

Son aquellos cuya potencia nominal se encuentra entre 100 kW y 1 MW. Se utilizan con frecuencia en instalaciones industriales para controlar motores de corriente continua. También entran en esta categoría los variadores estáticos de velocidad para el control de motores de inducción.

Convertidores de Baja Potencia.

Son aquellos convertidores cuya potencia no supera los 100 kW. Entre las cargas no lineales de baja potencia se encuentran: iluminación no incandescente, televisores, radios, estereos, computadoras personales y cualquier equipo que utilice corriente continua. Estas podrían representar un problema, con respecto a la contaminación armónica, cuando un numero de ellas están activas en forma simultánea a un mismo punto común de acoplamiento (PCC). Generalmente estos equipos de baja potencia utilizan rectificadores de onda completa, cuya contaminación armónica predomina en el tercer orden.

Otras Fuentes de Armónicos.

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5.7.3.- Efectos.

Los impactos más significativos generados por las distorsiones en las ondas de tensión y corriente, son los registros incorrectos en equipos de control y monitoreo, así como las pérdidas adicionales debidas al calentamiento. Estos efectos se acentúan como resultado de situaciones de resonancia serie o paralelo. Si la fuente de potencia del sistema es un dispositivo estático aislado, contribuirá al contenido armónico. El efecto de una o más fuentes armónicas sobre un sistema de potencia dependerá principalmente de las características de respuesta en frecuencia del sistema. Las cargas no lineales pueden ser representadas generalmente como fuentes de corrientes armónicas. Por consiguiente, la distorsión armónica de tensión en los sistemas de potencia dependerá de las características de impedancia vs. frecuencia tal como son vistas por estas fuentes de corriente. A continuación se describen estos efectos detalladamente en la bibliografía [3].

Transformadores.

El efecto de los armónicos en los transformadores es doble: las corrientes armónicas causan un incremento de las pérdidas en el cobre y pérdidas de flujos de dispersión; y las tensiones armónicas causan un incremento de las pérdidas en el hierro. El efecto total es un incremento en el calentamiento del transformador. La norma EEE C57.12.00-1987 proporciona un límite de armónicos de corriente para los transformadores. El límite superior del factor de distorsión de corriente es 5%. Es de hacer notar que las pérdidas en los transformadores, causadas tanto por las corrientes como por las tensiones armónicas son directamente proporcionales a la frecuencia, por lo tanto, las componentes armónicas de frecuencias altas pueden causar un calentamiento en el transformador más importante que los armónicos de frecuencias bajas.

Las pérdidas en el transformador pueden ser separadas en pérdidas con cargas y sin carga o en

vacío. Las pérdidas bajo carga son producidas por el efecto Joule (I2R) y las pérdidas en vacío son

por dispersión y por la histeresis en el hierro, éstas son de especial importancia cuando se evalúa la adición de calor debido al efecto de una forma de onda de corriente no sinusoidal.

Las pérdidas por dispersión son por corrientes parásitas debido al flujo electromagnético extraviado en el devanado, núcleo, abrazadera del núcleo, campo magnético, pared del tanque y otras partes estructurales del transformador. Las pérdidas extraviadas del devanado incluyen pérdidas aisladas de corrientes de Eddy en los conductores del devanado y pérdidas debido a la circulación de corrientes entre circuitos devanados paralelos o aislados. Esta pérdida aumentará en proporción al cuadrado de la corriente de carga y al cuadrado de la frecuencia. La temperatura también aumentará en las partes estructurales por las corrientes de Eddy, aproximadamente al cuadrado de la corriente de carga y al cuadrado de la frecuencia. La IEEE C57.110-1998 proporciona un procedimiento de cálculo para obtener las pérdidas de corriente de Eddy para un transformador dado. Las pérdidas por dispersión son de especial importancia cuando se evalúa el aumento del calentamiento debido a los efectos de corrientes no sinusoidales.

Condensadores y Factor de Potencia.

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agregarán a la carga de condensadores. La norma IEEE Std. 18-1992 proporciona los límites en tensión, corriente y potencia reactiva para bancos de condensadores. Esto puede ser usado para determinar el máximo nivel de armónicos permisible.

El incremento del calentamiento y los esfuerzos de tensión en el dieléctrico, por la circulación de armónicos reducen la vida útil de los condensadores. Aunque la discusión previa tiene la intención de describir los efectos en elementos de sistemas de distribución tal como el mejoramiento del factor de potencia o condensadores para el filtrado de armónicos, se puede notar que otros condensadores también pueden ser afectados. Por ejemplo, los condensadores usados para arranque en motores monofásicos, o aquellos usados en circuitos rectificadores amortiguadores, serán sujetos a similares esfuerzos térmicos y de tensión. Las capacitancias de carga de línea, en líneas de transmisión y cables aislados también están en paralelo con la inductancia del sistema. Por consiguiente, ellos son similares a los condensadores paralelos con respecto al efecto de las características de respuesta en frecuencia del sistema. Usualmente los bancos de condensadores son predominantes en la industria y en la red de distribución.

Cables y Conductores.

El flujo de corrientes no sinusoidales en un conductor causa un calentamiento adicional, por encima del que se esperaría para el valor eficaz de la onda fundamental. Esto se debe a dos fenómenos: “efecto pelicular” y “efecto proximidad”, los cuales varían en función de la frecuencia, del calibre del conductor y del espaciamiento. Como resultado de estos dos efectos, la resistencia efectiva en corriente alterna (Rac) es mayor que la resistencia en corriente continua (Rcc), especialmente en conductores muy largos, amplificándose las pérdidas I2*Rac. Los cables en un sistema resonante están sujetos a fenómenos de sobre tensión (esfuerzos dieléctricos) y corona, los cuales pueden progresivamente deteriorar el dieléctrico (aislamiento) del conductor. Adicionalmente el sobrecalentamiento producido por los niveles de armónicos contribuye a su degradación.

Medidores de Energía.

El efecto de la distorsión armónica en equipos medidores de energía con disco de inducción es capaz de generar lecturas erróneas, ya que las tensiones y corrientes armónicas están desfasadas entre sí, causando una variación en la potencia activa generada por esta señal. En condiciones de resonancia los niveles de tensión y corriente pueden incrementarse afectando el correcto funcionamiento de estos medidores. Una distorsión armónica total de corriente mayor al 20% puede causar considerables errores en la medición. En medidores de energía con equipos electrónicos que miden el verdadero valor eficaz de las ondas de tensión y corriente, no se ven afectados por la distorsión armónica.

Conmutadores y Aplicaciones de Relés.

Como con otros tipos de equipos, las corrientes armónicas pueden incrementar el calentamiento y las pérdidas en mecanismos de control, por lo tanto reducen la capacidad de carga de la corriente de estado sólido y acortan la vida de algunos componentes aislantes. Los fusibles sufren una reducción en su capacidad nominal debido al calentamiento generado por los armónicos durante la operación “normal”. No hay actualmente ninguna norma para los niveles de corrientes armónicas requeridas por los dispositivos de maniobra o fusibles para la interrupción o carga. Todas las pruebas son realizadas en rangos de frecuencias de alimentación.

Figure

Figura II-4. Con la Ley Orgánica del Servicio Eléctrico.
Figura II-5. Esquema del Mercado Regulado del Sector Eléctrico Venezolano.
Figura IV-3. Relación corriente vs. tensión de una carga lineal.
Figura IV-6. Tendencia Mundial del Uso de la Carga No Lineal.
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