Distorsión armónica en la red eléctrica de Trujillo en función de la demanda de servicio y característica de carga

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(1)Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO. ESCUELA DE POSTGRADO. PO. SG. RA DO. PROGRAMA DOCTORAL EN CIENCIAS E INGENIERÍA. CA. DE. DISTORSIÓN ARMÓNICA EN LA RED ELÉCTRICA DE TRUJILLO EN FUNCIÓN DE LA DEMANDA DE SERVICIO Y CARACTERÍSTICA DE CARGA. TE. TESIS PARA OPTAR EL GRADO DE. BL. IO. DOCTOR EN CIENCIAS E INGENIERÍA. : Mg. MÉNDEZ GIL VILMA JULIA. ASESOR. : Dr. AGUILAR MARIN PABLO. BI. AUTORA. TRUJILLO – PERU 2008. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(2) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. RA DO. JURADO CALIFICADOR. CA. DE. PO. SG. ……………………………………….. Dr. Arístides Tavara Aponte. …………………………………. Dr. Pablo Aguilar Marín. BI. BL I. O. TE. ……………………………………. Dr. Hernán Alvarado Quintana. i Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(3) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. DEDICATORIAS. SG. RA DO. A mi fe en el maestro Jesús el Cristo por su doctrina que orienta mi vida. “Baruj Abá Beshem Adonai” “Yeshua Ha Mashiach”. DE. PO. A mis ancestros, por el amor a la tierra y al rescate del valor de ser peruano. BI. BL I. O. TE. CA. A la memoria de mis padres: Concepción y Elvia mis hermanos: Heriberto, Roger y Ciro mis tías: Jesús, Julia y Gaudencia la señora: Noemí. Al regalo de la vida, mis hijas: Estrella, Celeste y Almendra. ii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(4) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. AGRADECIMIENTOS. RA DO. De manera muy especial mi agradecimiento y reconocimiento al Doctor Pablo Aguilar Marín por el asesoramiento y orientación profesional para el desarrollo del presente trabajo de tesis doctoral.. A los ingenieros Jorge Vilcachagua y David Orosco del área de calidad de. SG. energía del Organismo supervisor de la Inversión en energía y minería (OSINERGMIN), por el apoyo brindado para el presente trabajo.. PO. A mis exalumnos Ms. David Maldonado y Ms. Elder Mendoza, que desde el. presente trabajo.. DE. Brasil me apoyaron con la información apropiada para la culminación del. A todos los que contribuyeron para el desarrollo y culminación del presente. BI. BL I. O. TE. CA. trabajo de tesis doctoral.. iii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(5) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. RESUMEN La energía eléctrica es un servicio básico para el desarrollo de las comunidades. En esta tesis se ha evaluado la distorsión armónica de voltaje. RA DO. de la red eléctrica de Trujillo. Las mediciones del factor de distorsión armónica total de voltaje, THDV, se llevaron a cabo con el analizador de redes TOPAS 1000, de acuerdo con las normas estipuladas en el reglamento de servicios eléctricos del Perú D. S. Nº 020-2001, que establece un periodo de control de siete días, en intervalos de registro de 10 minutos. La toma de datos se realizó. SG. en el lado de baja tensión de las subestaciones transformadoras denominado, Punto de Acoplamiento Común (PAC). Se efectuaron mediciones en 117 y 152. PO. PACs durante los 12 meses de los años 2004 y 2005 respectivamente, elegidos en forma aleatoria.. Se encontró que los cuatro primeros armónicos dominantes de la red eléctrica. DE. de Trujillo son el quinto, el sétimo, el tercero y el segundo. Para la distorsión armónica, THDV, en función de la demanda de servicio, se. CA. determinó que es en el turno de tarde donde se alcanza los valores más altos de distorsión y, aún en condiciones de demanda mínima, se recibe una señal distorsionada superior al 0.61% de THDV. Para la distorsión armónica en. TE. función de la carga, se encontró que en el año 2004, la mayor variación de THDV95 se presentó en clientes comunes (carga residencial – comercial de. O. baja potencia); en el año 2005, la mayor variación de THDV95 se presentó en. BL I. clientes mayores (industrial – comercial de mayor potencia). En promedio, la distorsión armónica THDV95. evidenció una tendencia creciente a lo largo de. BI. los 24 meses. Se determinó la distorsión armónica total de corriente, THDI y el espectro armónico de corriente que inyectan a la red las cargas masivas tales como el computador personal y el televisor a color. Palabras claves:. Distorsión Armónica, THDV, Demanda de energía eléctrica, Tipo de carga eléctrica.. iv Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(6) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ABSTRACT The electrical power is a basic service for the communities’ development. In this research work the voltage harmonic distortion of the electrical network of Trujillo voltage. RA DO. city – Peru has been assessed. The measurements of the total. harmonic distortion factor, THDV, were carried out with the TOPAS 1000 device, according to the rules stipulated in the Peruvian electrical services regulation, D. S. Nº 020-2001, which establishes a control period of seven. SG. days, in recording intervals of 10 minutes. The data collection was made in the low voltage side of the transformation stations known as common connection points (PAC). The measurements were made in the randomly chosen 117 and. PO. 152 PACs during the 12 months of the years 2004 and 2005, respectively. It was found that the first four harmonics dominants of the Trujillo electrical. DE. network are the fifth, seventh, third and second ones.. Taking into account the service demand, the harmonic distortion, THDV, reached its highest values of distortion in the afternoons and, even at the lowest. CA. service demand conditions, a distorted signal not lower than 0.61% of THDV was measured. By considering the load, in the year 2004 the harmonic. TE. distortion, THDV95, suffered the major variation in the current costumers (low power commercial – residential loads) while in the year 2005 the highest. O. THDV95 variation occurred in the major costumers (high power commercial – industrial loads). Likewise, the THDV95, as an average, showed a tendency to. BL I. increase along the 24 months. Furthermore, we have determined the total harmonic distortion of current, THDI, and the current harmonic spectrum which. BI. is injected to the network by loads such as personal computers and color television.. Key words: Harmonic distortion, THDV, electric energy demand, electric load type.. v Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(7) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. INDICE i. Dedicatorias. ii. Agradecimientos. iii. Resumen. iv. RA DO. Jurado Calificador. Abstract Índice I INTRODUCCIÓN. v vi 1 3. III. CALIDAD DEL SERVICIO ELÉCTRICO.. 6. a) Hornos de arco b) Convertidores estáticos. PO. IV. DISTORSIÓN ARMÓNICA. SG. II. ANÁLISIS DE FOURIER DE SEÑALES PERIÓDICAS. 9 9 10 10. d) Cargas masivas. 11. DE. c) Tubos de luz fluorescente con balastro magnético e) Lámparas fluorescentes con balastro electrónico. 21. CA. V. MATERIAL Y MÉTODOS. 13 21. V.2 Equipo, instrumentos y software. 22. V.3 Metodología. 23. TE. V.1 Objeto de estudio. 23. V.3.2 Captura de datos por el Equipo TOPAS 1000. 25. BL I. O. V.3.1 Procedimiento de medición. 27. V.3.4 Determinación de los armónicos dominantes. 31. V.3.5 Determinación de THDV Max. y Mín. por turno del día. 34. BI. V.3.3 Determinación del THDV95. V.3.6 Determinación del espectro armónico de cargas masivas: Computador personal y televisión a color. VI. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. 36 38. VI.1.A Nivel de THDV95 en la red eléctrica de Trujillo considerando características de carga: Año 2004. VI.1.B Armónicos dominantes en la red eléctrica de Trujillo: Año 2004.. 38 40. vi Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(8) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. VI.1.C Nivel de THDV en la red eléctrica de Trujillo considerando característica de carga y demanda de servicio: Año 2004.. 46. VI.2.A Nivel de THDV95 en la red eléctrica de Trujillo considerando características de carga: Año 2005.. 52. VI.2.B Armónicos dominantes en la red eléctrica de Trujillo: Año 2005.. 55. VI.2.C Nivel de THDV en la red eléctrica de Trujillo considerando VI.3. RA DO. característica de carga y demanda de servicio: Año 2005.. 59. Comparación de la distorsión armónica en PAC monitoreados los años 2004 y 2005.. VI.4. 66. Análisis del crecimiento del nivel de distorsión armónica THDV95 en Trujillo: Años 2004 y 2005.. Distorsión armónica de corriente de cargas masivas: el. SG. VI.5. 71. Computador personal y el Televisor a color.. PO. VII. CONCLUSIONES VIII. RECOMENDACIONES. 72 80 82 83. ANEXOS. 88. DE. IX. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS. 89. ANEXO B Hoja de campo de THDV95 y armónicos dominantes.. 93. CA. ANEXO A Datos de THDV reportados por el equipo Topas 1000.. 94. ANEXO D Máximos y mínimos de THDV en cuatro turnos. Año 2004.. 96. ANEXO E Valores de THDV95 (%) determinados en Trujillo. Año 2005.. 99. TE. ANEXO C Valores de THDV95 (%) determinados en Trujillo. Año 2004.. ANEXO F Máximos y mínimos de THDV en cuatro turnos. Año 2005.. 102. O. ANEXO G Metodología para la determinación de los armónicos de. BI. BL I. señales periódicas no sinusoidales de función desconocida. 107. vii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(9) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. I.. INTRODUCCIÓN La energía eléctrica es un servicio básico para el desarrollo de la. civilización, por lo que es prioridad del estado supervisar la calidad del servicio eléctrico que se brinda a la comunidad. Todo sistema de. RA DO. distribución de energía eléctrica tiene como meta entregar corrientes i/o voltajes sinusoidales a través de toda la red. Sin embargo, en la red suelen haber cargas que distorsionan las señales eléctricas que. SG. generalmente son de forma sinusoidal. Las armónicas son las distorsiones periódicas de las señales eléctricas de corriente y/o voltaje. Estas son. PO. señales con frecuencias que son múltiplos enteros de la frecuencia de la onda senoidal fundamental (Koval y Cartes, 1997).. DE. En los últimos años se han venido haciendo esfuerzos considerables para mejorar el control de las distorsiones armónicas en los sistemas de. las. CA. potencia eléctrica, habiéndose introducidos estándares para el control de armónicas. (Kassick,. 2004).. Existen. disponibles. sofisticados. TE. instrumentos para la medición de las armónicas tales como los. IO. analizadores de redes. En el campo del análisis y en métodos de simulación de armónicos también se ha experimentado avances. BL. significativos (IEEE, Task Force On Harmonics Modeling And Simulation,. BI. 1996).. La distorsión armónica es un fenómeno en el que los usuarios se. afectan unos a otros a través de sus conexiones comunes con el sistema eléctrico. El crecimiento de las cargas del usuario con dispositivos electrónicos ha implicado que el incremento de la distorsión armónica de. 1. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(10) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. los sistemas de potencia sea inevitable. Puesto que la excesiva distorsión armónica degrada ciertos tipos de equipos, es importante determinar los niveles armónicos para luego intentar reducirlos. En Perú, ante el crecimiento de cargas no lineales tanto en zonas. RA DO. residenciales, comerciales e industriales en las principales ciudades que incrementan la distorsión por armónicos. Las empresas distribuidoras de energía, bajo la supervisión del estado peruano, a través de Organismo. SG. Supervisor de la Inversión en Energía y Minería (OSINERGMIN), realizan mediciones de perturbaciones armónicas, pero no han procesado las. PO. mediciones, por lo que existe la necesidad de analizar la gran cantidad de datos medidos e investigar cuál es el nivel y naturaleza de la distorsión. A). DE. armónica. En la presente investigación, se ha evaluado: El nivel de distorsión armónica de la red eléctrica de Trujillo en. CA. función de la característica de carga, considerando clientes mayores a subestaciones de zonas industriales y comerciales en media. TE. tensión, y clientes comunes a subestaciones de distribución para. B). IO. zonas residenciales y comerciales en baja tensión. El nivel de distorsión armónica en la red eléctrica de Trujillo en. BL. función de la demanda de servicio, considerando su requerimiento. BI. energético en cuatro turnos del día: madrugada, mañana, tarde y. noche.. C). La naturaleza de la distorsión armónica de corriente que inyectan, las cargas masivas no lineales como el Televisor a color y el. 2. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(11) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. computador personal, a la red eléctrica de Trujillo en función del espectro armónico de corriente. II.. ANÁLISIS DE FOURIER DE SEÑALES PERIÓDICAS Las funciones periódicas pueden ser descompuestas en la suma de: Un término constante, que es la componente continúa.. b). Un termino sinusoidal llamado componente fundamental que es de la. RA DO. a). misma frecuencia de la función que se analiza. Una. serie. de. términos. sinusoidales. llamados. componentes. SG. c). armónicos, cuyas frecuencias son múltiplos de la fundamental.  ao v o (t )    a n Cosnwt  b n Sen nwt  2 n 1. PO. (1). DE. a0/2 es el valor medio de la tensión de salida v o(t). Las constantes ao an y bn pueden ser determinadas mediante las siguientes expresiones:. 1 . 2. 1 . 0. IO. bn . BL. v o (  t ).d (  t ). 1 . 0. v o (  t ).Cos (n  t ).d (  t ). TE. an . 2. 0. CA. ao . 2. Los términos an. v o (  t ).Sen(n  t ).d (  t ) y. (2.a). (2.b). (2.c). bn son lo valores picos de las componentes. BI. sinusoidales, como para cada armónico estas dos componentes están desfasadas 90º, la amplitud de cada armónico esta dada por:. C n  a n2  b n2 , con ángulo de fase:  n  tan 1 (a n / b n ) . Resultando que el valor instantáneo de la tensión distorsionada representada en serie de Fourier es:. 3. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(12) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. v o (t ) . ao 2. . .  Cn Sen (nwt  n ). (3). n1. Donde Cn es la amplitud, y Φn el ángulo de retardo de la. DE. PO. SG. RA DO. componente armónica de orden n.. Figura. 1. Composición de tensión deformada en sus armónicas. CA. (Enriquez, 2006).. En la fig. 1 se muestra la tensión deformada como la composición de. TE. la señal fundamental más la quinta armónica. El diagrama donde se. IO. representan las amplitudes de cada uno de los armónicos que constituyen. BL. una onda se denomina espectro de la onda. El contenido en armónicos es propio de la naturaleza de dicha onda y nunca cambia, sea cual sea el. BI. método de análisis. En el procesamiento de señales por lo general las funciones se. representan por conjuntos finitos de valores discretos, es decir, los datos con frecuencia se obtienen, de forma discreta, por lo que se hace necesario el uso de la transformada discreta de Fourier (DFT), dada por:. 4. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(13) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1 N1 F(k )  f (n)e  j2 kn / N  N n 0. para k  0,..., N  1. (4). Donde: N = es el numero de muestras tomadas.. RA DO. f(n) = es el valor de la función muestreada en el tiempo t n Como la ecuación anterior requiere del cálculo de N2 operaciones complejas, pues para cada valor de n (que son N) existen N valores de k,. computacional para implementar la DFT.. SG. su evaluación se hace muy laboriosa. Así, es necesario un algoritmo. La transformada rápida de Fourier “FFT” es un algoritmo que se para. calcular. la. DFT. con. aproximadamente. PO. desarrolló. N(log2N). operaciones. El principio fundamental del algoritmo FFT se basa en la. DE. descomposición del cálculo de la DFT de longitud N en DFT's cada vez más pequeñas. Si consideremos que N=2p, siendo p un número entero. CA. positivo, la Ec. (4) puede expresarse como: N 1 2. IO. TE.     F(k )   f (2r ) W N   r 0  2. BL. Donde WN  e.  j2 / N. pk. N 1 2.     k  WN  f (2r  1) W N   r 0  2. pk. (5). , y r es un entero positivo. BI. De (5) resulta que una DFT de N puntos puede considerarse como dos DFT's de N/2 puntos. Lógicamente, esto reduce el tiempo de cálculo. De la misma manera, puede deducirse que una DFT de N/2 puntos puede obtenerse calculando dos DFT's de N/4 puntos, y así sucesivamente, para cualquier N que sea una potencia entera de 2. La implementación de estas ecuaciones constituye el algoritmo FFT.. 5. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(14) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. III.. CALIDAD DEL SERVICIO ELÉCTRICO La calidad del servicio eléctrico es el conjunto de características. técnicas y comerciales que son inherentes al suministro de energía. comercial y calidad de alumbrado público.. RA DO. eléctrica y son: calidad del producto, calidad del suministro, calidad. La distorsión armónica esta ubicada en la calidad al producto que se suministra al cliente y se evalúa por las transgresiones de las tolerancias. SG. en los niveles de tensión, frecuencia y perturbaciones en los puntos de. PO. entrega (Ministerio de Energía y Minas, 2001). El control de la calidad del servicio eléctrico respecto a la distorsión armónica supone el análisis previo del espectro de frecuencias de las tensiones y corrientes del. DE. sistema para posteriormente comparar los resultados obtenidos con índices que describen dicha calidad.. CA. El propósito de los índices y estándares relacionados con la. TE. limitación de los armónicos en los sistemas eléctricos de potencia se resume en:. IO. 1.- Controlar la distorsión, de tensión y corriente a niveles que los. BL. equipos conectados al sistema puedan tolerar. 2.- Garantizar que los clientes tendrán una tensión con una forma de. BI. onda adecuada a sus necesidades. 3.- Limitar el nivel de distorsión que un cliente puede introducir a la red. 4.- Asegurar que los armónicos no interfieran con otros sistemas, tales como los sistemas telefónicos.. 6. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(15) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. El índice usado es la Distorsión Armónica Total (Total Harmonic Distorsion, THD) que se define para el caso de voltaje y corriente, como: (Arrillaga, Bradley y Bodger, 1985)..  ( Vn ). THD V . .  (I n ). 2. 2. RA DO. . n2. THD I . V1. n 2. I1. SG. Donde Vn e In son los valores de voltaje y corriente de la n-ésima armónica y V1, e I1 son los valores de voltaje y corriente del armónico. PO. fundamental obtenido según el desarrollo de la serie de Fourier (Cigre Working Group, 1981; Crepaz, 1970; Kassick, 2004).. DE. En diversos países existen diferentes criterios para enfrentar y resolver una misma situación de problemas de armónicos: Para Alemania,. CA. una carga no puede generar más armónicos que los estrictamente. TE. necesarios para el cumplimiento de sus propósitos técnicos, cada cliente puede inyectar armónicos de corriente a la red en proporción a su. IO. potencia y no se aceptan equipos que inyecten corriente continua a la red. BL. [Beurteilung Von Netzrϋckwirkungen, 1987]. Para Estados Unidos los límites de armónicos están establecidos por el. BI. estándar. de. la. IEEE. (IEEE. Standard. 519-1992.. (1992)),. pero. adicionalmente se recomienda que el cliente debería confirmar: . Los condensadores (para corregir el factor de potencia) o filtros de armónicos no deben ser sobrecargados por un exceso de armónicos. . Que no se presenten las perjudiciales resonancias series o paralelas. 7. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(16) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. . Los límites de distorsión corriente para periodos cortos pueden ser excedidos en un 50% (condiciones validas por menos de una hora).. . Los armónicos de corriente pares deben limitarse al 25% de los valores de los armónicos impares que indica la norma. No son admisibles distorsiones de corriente que generen corriente. RA DO. . continua.. Tabla No 1. Tolerancia de las tensiones armónicas (Ministerio de. TOLERANCIA Vi’ ó THD’ (% con respecto a la Tensión Nominal del punto de medición). PO. ORDEN (n) DE LA ARMÓNICA ó THD. SG. Energía y Minas, 2001).. Alta y Muy Alta Tensión. Media y Baja Tensión. 2.0 2.0 1.5 1.5 1.0 1.0 0.7 0.7 0.1 + 2.5/n. 6.0 5.0 3.5 3.0 2.0 1.5 1.5 1.5 0.2 + 12.5/n. 1.5 1.0 0.3 0.2 0.2. 5.0 1.5 0.3 0.2 0.2. 1.5 1.0 0.5 0.2 0.2 0.2 0.2 3. 2.0 1.0 0.5 0.5 0.5 0.2 0.2 8. (Armónicas Impares no múltiplos de 3). BI. BL. IO. TE. CA. DE. 5 7 11 13 17 19 23 25 Mayores de 25 (Armónicas Impares múltiplos de 3) 3 9 15 21 Mayores de 21 (Armónicas Pares) 2 4 6 8 10 12 Mayores de 12 THD (%). 8. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(17) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. En el Perú, para el caso de señales periódicas, los valores eficaces (RMS) de las tensiones armónicas individuales Vi y los THD expresado como porcentaje de la tensión nominal del punto de medición, no deben. RA DO. de superar los valores limites Vi’ y THD’ indicados en la tabla Nº 1. Según la norma, (Ministerio de Energía y Minas, 2001) se consideran las armónicas desde la 2º hasta la 40º y dice que la energía eléctrica es de mala calidad si los THDV medidos se encuentran fuera de la tolerancia,. DISTORSIÓN ARMÓNICA. PO. IV.. SG. por un tiempo superior al 5% (percentil 95) del periodo de medición.. Existe un gran número de dispositivos que distorsionan el estado. DE. ideal de las redes eléctricas. Algunos de ellos han existido desde la formación de los sistemas de potencia, y otros son producto de la. CA. aplicación de dispositivos electrónicos a semiconductores (diodos, transistores, tiristores, etc.) utilizados para el control moderno de las redes. IO. son:. TE. eléctricas. Las principales cargas que contribuyen a la distorsión armónica. a) Hornos de arco. Son aparatos que funcionan por medio de la. BL. descarga de arco eléctrico de gran energía que les permite fundir acero,. BI. representan una fuente armónica de gran capacidad por la combinación del retraso en la ignición del arco con las características altamente no lineales entre el voltaje y la corriente. Los porcentajes de la contribución a la distorsión armónica dependen del proceso de funcionamiento en forma marcada con el tiempo (Tabla Nº 2). Es decir, la contribución más alta de. 9. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(18) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. distorsión armónica de corriente es al inicio de la fundición, teniendo como armónico dominante el segundo. Tabla Nº 2. Características del horno de arco eléctrico (Arrillaga y Eguíluz, 1994). 2. 3. 4. 5. 7. RA DO. Armónico Proceso. (% de la corriente fundamental). Al inicio de la fundición (arco activo). 7.7. 5.8. 2.5. 4.2. 3.1. Refinamiento (arco estable). 0.0. 2.0. 0.0. 2.1. 0.0. SG. b) Convertidores estáticos (diodos y tiristores), que se usan en la. PO. rectificación como el convertidor de seis pulsos o rectificador de seis pulsos trifásico, se caracteriza porque el voltaje que genera en la carga contiene seis pulsos en un período de la tensión de la red y no presenta. DE. componentes armónicas de orden par y tampoco armónicas triples. En el espectro armónico de la fig. 2, se aprecia que son los armónicos quinto,. BL. IO. TE. CA. sétimo y treceavo los dominantes.. BI. Figura 2. Espectro armónico del convertidor de 6 pulsos (Mohan, Undeland, Robbins, 1989). c) Tubos de luz fluorescente con balastro magnético. Son altamente no lineales, en este tipo de carga el armónico dominante es el tercero, tal como se observa en la fig. 3 (Alves, 1996).. 10. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(19) RA DO. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Figura 3. Espectro armónico de lámpara fluorescente con balastro magnético (Alves, 1996).. Tabla Nº 3. Corrientes armónicas producidas por Televisores (Arrillaga,. 3. Corriente Armónica (A) en Televisor a color con puente rectificador 0.73. Corriente Armónica (A) en Televisor a color con Tiristor 0.82. 5. 0.59. 0.66. 0.43. 0.34. 0.27. 0.14. 0.15. 0.09. 0.045. 0.040. PO. Orden de la Armónica. SG. Bradley y Bodger, 1985).. DE. 7 9 15. CA. 11. Televisores. Son equipos de empleo masivo que generalmente se. IO. . TE. d) Cargas masivas tales como:. alimentan por un rectificador y una alta capacitancia de filtro, que. BL. los hace inyectores de armónicos por tener un consumo de. BI. corriente pulsante y estos pulsos de corriente coinciden (igualdad de fase) con el valor máximo del voltaje, lo que acentúa el problema de distorsión debido al alto grado de simultaneidad de este pulso de corriente en cargas masivas. La tabla Nº 3 muestra. 11. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(20) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. la magnitud de corrientes armónicas presentes en diversos televisores (Arrillaga, Bradley y Bodger, 1985). Equipos electrónicos tales como las computadoras personales,. . máquinas copiadoras, impresoras y fax, que cuentan con una. RA DO. fuente regulada por conmutación. [Muñoz, 1998; Procobre 1998]. Estas fuentes demandan corrientes en un pulso corto de cada medio ciclo, presentando una alta distorsión y un alto contenido de. DE. PO. SG. tercera armónica, su contribución a la distorsión se ve en la fig. 4.. Figura 4. Espectro armónico de una fuente de poder de computadora. CA. (Procobre 1998).. Como los equipos de baja potencia generan una importante. TE. cantidad de armónicos. Para corregir esta situación, la Comisión. IO. Electrotécnica Internacional (IEC, 1993), puso en vigencia a partir de 1995 la norma IEC 555-2 destinada precisamente a los equipos de baja. BL. potencia y que tienen rectificador con filtro capacitivo, la norma los. BI. clasifica como equipos de clase D y establece las exigencias sobre armónicos que deben cumplir todos aquellos equipos que consumen menos de 16A por fase en la red de 220V a 415V, entre los que figuran las computadoras personales y los televisores, y. pueden inyectar los. armónicos de corriente según la tabla Nº 4.. 12. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(21) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Tabla Nº 4. Limites de las corrientes armónicas para equipos de clase D (IEC, 1993). Orden de la Armónica (n). Intensidad Armónica Máxima Admisible (A) Armónicas Impares 2.30. 5. 1.44. RA DO. 3 7. 0.77. 9. 0.40. 11. 0.33 0.21. SG. 13 15 < n < 39. 0.15 x 15/n. Armónicas Pares. PO. 2 4 6. DE. 8 < n < 40. 1.08 0.43 0.30. 0.23 x 8/n. CA. e) Las lámparas fluorescentes con balastro electrónico. Son otro tipo de carga que genera armónicas, estas son originadas por el efecto de los. TE. balastros y los dispositivos no lineales y electrónicos que utilizan para su. IO. funcionamiento, inyectan armónicos impares como se aprecia en el. BI. BL. espectro armónico de la fig. 5.. Figura 5. Espectro armónico de lámpara fluorescente con balastro electrónico (Alves, 1996).. 13. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(22) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Armónicos no característicos en cargas con circuitos de rectificación o convertidores estáticos, son aquellos que resultan de la operación correcta de estos equipos en condiciones ideales y caracterizan el tipo de carga; En cambio los armónicos no característicos son aquellos que. RA DO. aparecen originados por alguna condición de funcionamiento anómalo (Montanari, Loggini y Cacciari; 1990) y su origen se debe a: . Desbalance o asimetría en las tensiones de la red (en amplitud y/o. . SG. fase).. Desbalance en las inductancias equivalentes de la red y del. . PO. rectificador.. Asimetría en los pulsos de disparo enviados a los rectificadores a. DE. tiristores.. Los efectos de la presencia de armónicas son percibidos por todos. CA. los equipos conectados al sistema (Brugnoni, 1996; Méndez, 2001). Las manifestaciones de esta situación son: Actuación de protecciones (disyuntores, llaves seccionadoras) sin. TE. . . Daño de capacitores de corrección del factor de potencia. Quema de fusibles sin sobrecarga aparente.. BL. . IO. causa detectable.. Sobrecalentamiento de transformadores.. BI.  . Fallas de aislamiento en los dispositivos eléctricos.. . Fallas de conmutación/actuación de protección de conversores estáticos.. . Sobrecalentamiento del neutro en las instalaciones.. 14. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(23) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. . Fallas en los sistemas computacionales como perdida de algunos datos y daños en algunas componentes electrónicas debido a que el voltaje máximo es superior al nominal o que existe un diferencial de voltaje entre neutro y tierra. Interferencia en los sistemas telefónicos y de comunicación de. RA DO. . datos.. La distorsión armónica en un sistema de distribución depende de la. SG. demanda temporal de los usuarios del sistema. En la fig. 6 se observa la variación semanal de las armónicas de voltaje quinto y sétimo, y muestran. PO. un mayor incremento durante la tarde y el fin de semana (Lundquist,. IO. TE. CA. DE. 2001).. Figura 6. Variación temporal de las armónicas de voltaje quinto (claro) y. BL. sétimo (oscuro) (Lundquist, 2001).. BI. Shuter y colaboradores (1989) realizaron trabajos de monitoreo que. involucra el análisis del nivel de distorsión armónica en redes de distribución con diferente composición de cargas del sistema eléctrico de Norte. América. (AEP),. reportando. las. características. de. cargas. específicas, así como el nivel armónico típico para las tres clases de. 15. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(24) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. redes de distribución: residencial, comercial e industrial. También reporta que el quinto armónico es el dominante. Etezali y Florence (1990) realizaron un total de 1120 mediciones de voltaje y corriente armónica medidos en varias subestaciones, con. RA DO. periodos de mediciones de 24 horas que permitió obtener la variación diaria de la distorsión armónica. El tercer y quinto armónico del voltaje son los dominantes, si bien su valor se encuentra dentro de los límites. SG. permitidos por la norma y los más altos valores de THD están asociados a cargas que utilizan sistemas de rectificación.. PO. Emanuel y colaboradores (1991) reportan mediciones de siete días de voltaje y corriente armónica efectuadas en el punto de acoplamiento de. DE. cinco redes de alimentación, recomendando que para el nivel permitido de armónicos debe basarse en un gran numero de mediciones de campo y. CA. en el conocimiento de la tendencia histórica de crecimiento de los armónicos en las diferentes categorías de la red eléctrica. y. Cartes. TE. Koval. (1997). efectuaron. un. trabajo. sobre. las. IO. características de la calidad de energía en las cargas de computadora en el que se resalta la presencia de los armónicos de corriente y voltaje de. BL. una computadora individual y de sistemas controlados por computadora.. BI. En el caso de la corriente se tiene que los armónicos dominantes son el tercero, quinto, sétimo, noveno y onceavo; y los armónicos dominantes de voltaje son tercero, quinto, sétimo, noveno, onceavo y treceavo, fig. 7.. 16. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(25) PO. SG. RA DO. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. DE. Figura 7. Porcentaje de THD y contribución de armónicos de una computadora medidos durante un día (Koval, Cartes, 1997)].. CA. Emanuel y colaboradores (1993) reportaron mediciones de armónicos de voltaje y de corriente para siete días, hechas en los. TE. principales buses de usuarios con carga industrial, comercial y residencial. IO. del noreste de Estados Unidos, donde determinan los niveles máximos y mínimos de armónicos, según la carga seleccionada. El quinto armónico. BL. es el dominante tanto en zonas con predominio de equipos de cómputo y. BI. de oficina, como en zonas industriales con presencia de motores y banco de condensadores de compensación, mientras que el tercer armónico es el dominante es zonas comerciales donde predominan las lámparas fluorescentes y los equipos de refrigeración. Además, los autores comparan, para 10 años de diferencia, mediciones para una misma zona,. 17. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(26) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. reportando el crecimiento de los armónicos, justificado por el aumento de cargas no lineales en los sistemas eléctricos. Actualmente el estado del arte del análisis armónico en la calidad. RA DO. de la energía, esta orientado a determinar las fuentes de armónicas en un sistema eléctrico con cargas lineales y no lineales, para esto se utiliza equipos analizadores de redes y herramientas computacionales con algoritmos cada vez más complejos para proponer modelos de los. SG. sistemas y cargas eléctricas reales. El trabajo desarrollado por Mazumdar. PO. y colaboradores (2008) indican que los armónicos en un sistema de energía se clasifican en armónicos de carga o armónicos de suministro dependiendo de su origen y propone un nuevo método basado en las. DE. redes neuronales artificiales para aislar y evaluar el impacto del cambio de la impedancia de la fuente sin interrumpir la operación de cualquier carga,. CA. usando datos del campo real. Mediante el procesamiento de los datos. TE. adquiridos con el algoritmo propuesto, se predice la contribución armónica de la carga real del consumidor. La principal ventaja de este método es. IO. que sólo las ondas de los voltajes y las corrientes en el punto de unión. BL. común tienen que ser medidas. Este método es aplicable tanto para cargas trifásicas como monofásicas.. BI. Yuanyuan colaboradores (2008) presentan un nuevo método para. calcular las condiciones del armónico para sistemas que incluyen elementos no lineales de modo de conmutación electrónica. Un tiristor (TCR) fue utilizado como ejemplo de un elemento no lineal para demostrar la función del método propuesto, donde el modelo de entrada para el. 18. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(27) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. tiristor es lineal. Una solución de la red lineal en el dominio del armónico es suficiente para obtener los resultados del armónico. Vlahinic y colaboradores (2008) Proponen nuevos índices para caracterizar la distorsión armónica y considera que entre los distintos. RA DO. parámetros de la calidad de energía, el voltaje de la distorsión armónica total y los diferentes índices utilizados para medir y monitorear tanto la corriente como la distorsión de voltaje en los sistemas de energía, no son. SG. suficientes para la caracterización de la fuente de armónicos. Por lo que sugiere un nuevo índice denominado distorsión total estimada (TRD) que. PO. describe la distorsión armónica total en las mediciones de corriente, para simplificar y estandarizar las mediciones de corriente armónica. DE. En el Perú existen empresas distribuidoras de energía eléctrica y una empresa supervisora de la inversión en energía y minería. CA. (OSINERGMIN), está última, ha informado que en ciudades como Trujillo, Arequipa y Lima, las perturbaciones a la energía eléctrica están. TE. empezando a ser relevantes.. IO. Desde el año 1999 el Ministerio de Energía y Minas mediante los Decretos Supremo: 09-1999-EM; 013-2000-EM y 020-2001-EM (Ministerio. BL. de Energía y Minas, 2001) ha normado la calidad del servicio eléctrico, en. BI. donde se establecen que las perturbaciones a la calidad del producto eléctrico son Flicker y Armónicos, estableciéndose normas específicas para estos dos tipos de perturbaciones. Las empresas distribuidoras de energía eléctrica en el Perú realizan el control de distorsión armónica a través de mediciones y. 19. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(28) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. registros con equipos debidamente certificados y cuyas especificaciones técnicas hayan sido aprobadas por la autoridad (OSINERGMIN). La empresa, con la finalidad de ubicar de una manera más eficiente los equipos medidores de perturbaciones armónicas, efectúa mediciones. RA DO. previas considerando armónicas de por lo menos hasta el orden 15, de manera simultanea con las mediciones de voltaje en puntos de entrega en baja tensión; por lo que, los medidores de voltaje para baja tensión deben. SG. estar equipados para realizar tales mediciones de monitoreo.. La presente investigación se justifica por el interés del estado,. PO. representado por OSINERGMIN, en evaluar el nivel de distorsión armónica en la red eléctrica de Trujillo, ante la presencia de industrias con. DE. gran contenido de cargas inyectoras de armónicas (la energía viene desde el sur donde se encuentra la industria siderúrgica) y considerando. CA. las cargas masivas no lineales que están en aumento cada día en nuestra localidad. Así mismo, con las normas a la calidad de la energía por. TE. distorsión armónica, dadas por el estado (actualmente suspendidas), será. IO. necesario identificar si el distribuidor de energía o el consumidor esta. BI. BL. inyectando armónicos.. 20. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(29) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. V.. MATERIAL Y MÉTODOS. V.1 Objeto de Estudio En esta investigación el objeto de estudio estuvo constituido por la red de distribución de energía eléctrica de la provincia de Trujillo, de la distribuidora. y. comercializadora. de. energía. eléctrica. RA DO. empresa. HIDRANDINA S. A. La red es parte del sistema eléctrico del norte del país, y recibe energía eléctrica de un sistema interconectado a varias. SG. centrales generadoras, como las hidroeléctricas de Mantaro y Huallanca. La energía que recibe por transmisión es del orden de los 138 KV y su. PO. sistema eléctrico esta formado por subestaciones transformadoras y distribuidoras, como por ejemplo los patios de llaves ubicadas en la. DE. urbanización Santa María y en los distritos del Porvenir, el Milagro y la Esperanza.. CA. HIDRANDINA tiene una red de subestaciones elevadoras y reductoras (con capacidades entre 320KVA y 50KVA), con redes de. TE. distribución aéreas y subterráneas, en conexión trifásica en Δ (red de tres. IO. conductores R;S;T para la fases 1; 2 y 3) y en Υ (red de cuatro conductores R;S;T;N para las fases 1; 2 ; 3 y neutro). Los voltajes. BL. nominales de distribución en media tensión son de10 KV y 33KV y en baja. BI. tensión, 380 V y 220V; la frecuencia nominal es de 60 Hz. Trujillo tiene zonas de carga puramente industrial (parques. industriales sur, norte y este), comerciales (centro de la ciudad) y residenciales (urbanizaciones), así como zonas con cargas mixtas.. 21. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(30) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Variables e Indicadores En la tabla Nº 5 se presenta las variables, indicadores e índices de este estudio Tabla Nº 5. Variables e Indicadores Índice. Característica de. Tipo de. Comunes. carga. cliente. y mayores. Demanda de. Turno del. Servicio. día. Nivel de Distorsión Armónica. Dependiente. THD. %. Espectro de. N° de. PO. Naturaleza de la. Hora. SG. Independiente. Indicador. RA DO. Variables. Distorsión Armónica Frecuencias Armónicos Equipo, Instrumentos y Software. DE. V.2. Los medios utilizados en la investigación fueron los siguientes: Equipo para la medición en baja tensión de armónicos modelo. CA. . 1000. con. licencia. de. LEM. Norma. GmbH.. TE. TOPAS. Palmersstrabe 2 – A- 2351 Wiener Neudorf - Austria [LEM. IO. Norma GmbH, 2000]. Osciloscopio digital TEKTRONIK TDS 220 - 100 MHz. BL. . Multitester. . Computadora personal compatible de 200 vatios.. . Un Televisor a color, Panasonic de 21 pulgadas y 210 vatios.. . Sotfware:. BI. . - Software especializado de equipo TOPAS 1000 - Excel - Matlab. 22. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(31) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. V.3 Metodología V.3.1. Procedimiento de Medición. En coordinación con los representantes del organismo supervisor de la inversión en energía y minería OSINERGMIN, se realizaron mediciones. RA DO. con el analizador de redes eléctricas Topas 1000 (propiedad de la empresa HIDRANDINA), que reporta datos de voltaje, corriente, potencia activa, potencia reactiva, potencia total, factor de potencia, secuencia de. SG. fases, impedancia, energía, frecuencia, flicker, distorsión del armónico intermedio de tensión y distorsión armónica de tensión.. de. las. subestaciones. PO. La toma de datos de monitoreo se realizó en el lado de baja tensión transformadoras,. denominado. Punto. de. DE. Acoplamiento Común (PAC), siguiendo las normas técnicas de los servicios eléctricos del Perú del Ministerio de Energía y Minas D. S. N°. CA. 020 (2001) que establece un periodo de control de siete días, en intervalos de registro de 10 minutos. En una red trifásica en delta el. BI. BL. IO. TE. equipo Topas 1000 se instaló tal como se muestra en la fig. 8.. Figura 8. Esquema de conexión del equipo Topas 1000 en una red trifásica en delta.. 23. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(32) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Y en una red trifásica en estrella de 4 hilos se instaló tal como se muestra. PO. SG. RA DO. en la fig 9.. Figura 9. Esquema de conexión del equipo Topas 1000 en una red. DE. trifásica en estrella de 4 hilos.. Los PAC elegidos en la ciudad de Trujillo estuvieron conformados. a). CA. por:. Clientes mayores (≥ 20KW) con acometida mediante subestación. TE. exclusiva en media tensión (10 kV) con conexión trifásica, que. IO. corresponde a clientes con cargas industriales y comerciales de. BL. potencia, y que se caracterizan por utilizar máquinas industriales de alta potencia, y cuyo comportamiento energético es dependiente del. BI. proceso de producción. Estos clientes generalmente realizan el control del balance de sus cargas y del factor de potencia.. b). Clientes. comunes. con. subestaciones. distribuidoras. para. la. alimentación en baja tensión (de 1KW a 20KW), con voltajes de 220 V y 380 V, con conexión monofásica. Corresponde a zonas. 24. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(33) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. residenciales y comerciales de baja potencia (con cargas masivas como electrodomésticos, luminarias, equipos de oficina, etc.) y cuyo comportamiento energético es dependiente del perfil diario del usuario. Captura de datos por el equipo Topas 1000. RA DO. V.3.2. Para la evaluación del voltaje armónico el equipo Topas 1000, sigue el estándar IEC 61000-4-7, que aplica la norma peruana, para que el. SG. equipo ejecute promedios en intervalos de registro de 10 minutos y por fase, y que define el componente armónico como el valor eficaz de. PO. cualquiera de las barras espectrales que tenga una frecuencia armónica como resultado de ejecutar la transformada discreta de Fourier (DFT). DE. sobre una ventana temporal rectangular de 12 periodos de la onda fundamental (0.2 s) para un sistema de frecuencia nominal de 60 Hz. Para. CA. poder ejecutar la DFT el equipo Topas 1000 toma 2048 datos (211) para los 12 ciclos mencionados, obteniendo los armónicos del 1 al 40 y el. TE. THDV. Así, en cada PAC, y para cada fase, el equipo reportó un dato. IO. cada 10 minutos del promedio de la distorsión armónica de voltaje total THDV (en %). Un ejemplo de estos datos reportados por el equipo para el. BL. periodo de medición de una semana y para las tres fases se muestra en la. BI. fig. 10. Así mismo, el equipo reporta el diagrama de barras de los promedios semanales de voltaje de cada armónico de la 2 a la 40 y cada armónico se presenta como porcentaje de tensión con respecto a la tensión nominal. Un ejemplo del diagrama de barras que reporta el equipo Topas 1000 para un PAC se muestra en la fig. 11.. 25. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(34) SG. RA DO. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. PO. Figura 10. Presentación de la variación temporal de la distorsión armónica de voltaje total THDV para las tres fases, para un intervalo de. BI. BL. IO. TE. CA. DE. una semana (LEM Norma GmbH, 2000).. Figura 11. Presentación del diagrama de barra de los armónicos para las tres fases, para un intervalo de una semana (LEM Norma GmbH, 2000).. 26. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(35) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Se efectuaron mediciones en 117 PAC durante los 12 meses del año 2004 y en 152 PAC durante los 12 meses del año 2005, elegidos en forma aleatoria. Como el analizador de redes monitorea datos cada 10 minutos y por. RA DO. fase, para un periodo de medición de una semana, se obtuvo un total de 3024 datos de monitoreo para cada PAC. Un ejemplo de estos datos se muestran en el Anexo A. Puesto que en el año 2004 se analizaron 117. SG. PAC y 152 PAC en el año 2005, en total, se analizaron 813456 datos de monitoreo proporcionados por el equipo Topas 1000.. PO. Se efectuó un control de calidad de los datos monitoreados; aquellos que mostraban una respuesta no acorde con las leyes de los circuitos. DE. eléctricos, no fueron considerados (Ejm. el equipo proporcionaba valores THDV, pero indicaba que la tensión y la corriente eran cero). Determinación de THDV95. CA. V.3.3. El THDV95 es el valor del percentil 95, de los valores de THDV. TE. registrados cada 10 minutos, en un periodo de medición de una semana.. IO. Para cada uno de los 269 PAC y por fase se determinó el THDV95 y. BL. para esto, mediante el software del equipo TOPAS 1000 se abre el archivo del PAC que se va a evaluar, apareciendo en la pantalla la. BI. ventana de selección (fig. 12) donde se representa los diversos sistemas de medida que se pueden trabajar, se elige el periodo de control deseado (que según la normatividad peruana como mínimo será siete días calendarios continuos) y se selecciona para un intervalo de 10 minutos.. 27. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(36) PO. SG. RA DO. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. DE. Figura 12. Ventana de selección de sistemas de medida del software del analizador de redes TOPAS 1000 (LEM Norma GmbH, 2000).. CA. Mediante el comando “Medición”, se llama a la viñeta de dialogo “Armónicos”, y se selecciona la opción “Relativo Valor eficaz de tensión”,. TE. “Probabilidad”, y en la ventana de dialogo se elige la opción THD, tal. IO. como se muestra en la fig. 13. Como resultado se carga la ventana que se muestra en la fig. 14. BL. que grafica la curva de probabilidad acumulada de THDV para las tres. BI. fases. Esta proporciona la frecuencia porcentual de un valor de THDV y de todos los valores que lo preceden en la distribución, es decir, indica qué porcentaje de los valores de THDV están debajo de un valor particular de THDV.. 28. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(37) PO. SG. RA DO. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Figura 13. Ilustración de la selección de opciones para la obtención. BI. BL. IO. TE. CA. DE. de THDV -TOPAS 1000 (LEM Norma GmbH, 2000).. Figura 14. Curva de probabilidad acumulada de THDV para las tres fases proporcionado por el software del analizador de redes TOPAS 1000 (LEM Norma GmbH, 2000).. 29. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(38) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Para poder determinar con mayor precisión el valor de THDV que se excedió en un tiempo superior al 5% del periodo de medición de una semana THDV95, con el icono. se amplifica la curva de probabilidad. RA DO. acumulada de THDV en torno a la probabilidad del 5%, tal como se muestra en el ejemplo de la fig. 15.. Los datos obtenidos de esta manera en cada PAC se registraron en la hoja campo por fase por mes y por año, como se muestra en el anexo. BI. BL. IO. TE. CA. DE. PO. SG. B.. Figura 15. Ilustración de la determinación de. THDV95 a partir de la. amplificación de la probabilidad acumulada proporcionada por el analizador de redes Topas 1000 (LEM Norma GmbH, 2000).. 30. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(39) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Al efectuar el control de calidad se encontraron datos experimentales defectuosos por lo que algunos PAC fueron eliminados. Como en cada PAC se monitorean tres fases, en este análisis se obtuvo un total de 351 valores de THDV95 para el año 2004 y 456 valores de THDV95 para el año. RA DO. 2005.. V.3.4 Determinación de los armónicos dominantes. Para cada uno de los 269 PAC se determinó los cuatro primeros. SG. armónicos dominantes medidos en porcentaje respecto al voltaje nominal. BL. IO. TE. CA. DE. PO. de la armónica fundamental y por cada fase.. BI. Figura 16. Ilustración de la selección de opciones para la obtención del diagrama de barras de los armónicos con el software del analizador de redes TOPAS 1000 (LEM Norma GmbH, 2000). Mediante el software del equipo TOPAS 1000 se abre el archivo del. PAC que se va a evaluar, apareciendo en la pantalla la ventana de. 31. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(40) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. selección (fig. 12) donde se representa los diversos sistemas de medida que se pueden trabajar. Luego se elige el periodo de control deseado (que según la normatividad peruana como mínimo será siete días calendarios continuos) y se establece que se analizarán datos registrados. RA DO. a intervalos de 10 minutos.. Con el comando “Medición”, se llama a la viñeta de dialogo “Armónicos”, y se selecciona la opción “Relativo Valor eficaz de tensión”, “Diagrama de. SG. Barras-Probabilidad”, tal como se muestra en la fig. 16.. Como resultado se carga la ventana que se muestra en la fig. 17. BI. BL. IO. TE. CA. DE. de voltaje para las tres fases.. PO. que proporciona los promedios semanales de cada uno de los armónicos. Figura 17. Ilustración de las armónicas de voltaje para las tres fases, para un intervalo de una semana obtenido con el analizador de redes TOPAS 1000 (LEM Norma GmbH, 2000).. 32. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(41) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Para determinar los armónicos dominantes en cada fase, se elige una sola fase tal como se muestra en la fig. 18 (para la fase 1), donde el primer dominante es el quinto armónico (tiene el mayor valor) el segundo. y el cuarto dominante es el onceavo armónico.. RA DO. dominante es el sétimo armónico, el tercer dominante el tercer armónico,. Después de efectuar el control de calidad a los datos monitoreados, se obtuvo un total de 1404 datos para el año 2004, y 1824 datos para el. SG. año 2005. Los datos obtenidos de esta manera en cada PAC se registraron en la hoja campo por fase por mes y por año como se muestra. BI. BL. IO. TE. CA. DE. PO. en el anexo B.. Figura 18. Ilustración de la determinación de los armónicos dominantes de la Fase 1 por el analizador de redes Topas 1000 (LEM Norma GmbH, 2000).. 33. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(42) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. V.3.5 Determinación de THDV máximo y mínimo por turno del día Para cada uno de los 269 PAC evaluados en los 2 años de estudio, y utilizando los valores de THDV registrados cada 10 minutos, para un periodo de una semana se determinó el valor máximo y mínimo de la. RA DO. distorsión armónica en cada PAC para cuatro turnos por día, que representa la demanda temporal de servicio del usuario. Los turnos se muestran en la Tabla Nº 6.. SG. Tabla Nº 6. Turnos de la demanda de servicio. Horario. PO. Turnos. Turno de Madrugada De 00:00 a 05:59 De 06:00 a 11:59. Turno de Tarde. De 12:00 a 17:59. Turno de Noche. De 17:00 a 23:59. DE. Turno de Mañana. CA. Con el software del equipo TOPAS 1000 se abre el archivo del PAC que se va a evaluar, apareciendo en la pantalla la ventana de selección. TE. (fig. 12) donde se representa los diversos sistemas de medida que se. IO. pueden trabajar, se elige el periodo de control deseado (que según la normatividad peruana como mínimo será siete días calendarios continuos). BL. y se establece que se analizaran datos registrados a intervalos de 10. BI. minutos.. Mediante el comando “Medición”, se llama a la viñeta de dialogo. “Armónicos”, y seleccionar la opción “Relativo Valor eficaz de tensión”, “Medida en secuencia temporal”, y en la ventana de dialogo se elige la opción THDV, tal como se muestra en la fig. 19.. 34. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(43) PO. SG. RA DO. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Figura 19. Ilustración de la selección de opciones para la varicion. DE. temporal de THDV con el software del analizador de redes TOPAS 1000 (LEM Norma GmbH, 2000).. CA. Como resultado se carga la ventana que se muestra en la fig. 20 y que proporciona la variación temporal THDV para las tres fases registrado. TE. durante los días de monitoreo.. IO. Luego se archiva los datos en modo “txt”. Luego con la hoja de cálculo EXCEL se abre el archivo y se agrupa los datos en los cuatro. BL. turnos por día indicados en la Tabla Nº 6 Se determina el valor minino y. BI. máximo de THDV en cada PAC y por turno. Se obtuvieron un total de 936 datos para el año 2004, y 1216 datos para el año 2005.. 35. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(44) PO. SG. RA DO. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. DE. Figura 20. Variación temporal de THDV para las tres fases proporcionado por el software del analizador de redes TOPAS 1000 (LEM Norma GmbH,. CA. 2000).. V.3.6 Determinación del espectro armónico de cargas masivas:. TE. Computador personal y Televisor a color Para determinar el espectro armónico de la distorsión de corriente. IO. generado por cargas masivas no lineales se experimentó con una. BL. computadora personal y un televisor a color. La captura de la señal de respuesta de corriente se realizo con un osciloscopio digital mediante un. BI. sensor de corriente colocado en serie con la carga. El circuito experimental se muestra en la fig. 21, donde la resistencia del sensor. para el computador personal fue de R = 2,2 Ω, y para el televisor a color fue de R = 1,1 Ώ.. 36. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(45) RA DO. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Figura 21. Circuito experimental para determinar el espectro armónico de corriente de una computadora personal y de un. SG. televisor a color.. Para cada una de las cargas mencionadas, con el osciloscopio se. PO. capturó un periodo de la forma de onda de voltaje para el sensor de corriente, y se midió y registro la caída de tensión en función del tiempo,. DE. obteniéndose la corriente mediante la Ley de Ohm [i(n)= v(n)/ R]. Se aplicó la técnica del muestreo que consistió en tomar las amplitudes. CA. instantáneas de la señal analógica correspondientes a los valores discretos de tiempo para así obtener una señal discreta. La determinación. TE. de los componentes armónicos de corriente y la distorsión armónica total de corriente se realizó con el programa Matlab, según el método. IO. propuesto por Pollack [por publicar].. BL. Los resultados del espectro armónico de la respuesta de corriente. BI. generado por una computadora personal y un televisor a color se represento en diagrama de barras, y el análisis se hizo hasta el armónico 40.. 37. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(46) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. VI. RESULTADOS y DISCUSIÓN VI.1.A Nivel de THDV95 en la red eléctrica de Trujillo considerando características de carga: Año 2004. En el Anexo C, se muestra los valores de THDV95 que son los. RA DO. resultados del análisis de este estudio para cada uno de los 117 PAC monitoreados el año 2004. La presentación se hace para las tres fases en que se distribuye la energía eléctrica, es decir fase 1, fase 2 y fase 3 y. SG. con los respectivos códigos de cada PAC. 35 PAC corresponden a subestaciones que alimentan a clientes comunes y que se identifican con. PO. los códigos que empiezan con la letra E (representados en las fig. 22, 23 y 24 con triángulos de color marrón) que se caracterizan por pertenecer a. DE. cargas residenciales y comerciales de baja tensión. 82 PAC corresponden subestaciones exclusivas que alimentan a clientes mayores y que se. CA. identifican con los códigos que empiezan con el número 4 (representados en las fig. 22, 23 y 24 con cuadros de color azul), que se caracterizan por. TE. pertenecer a cargas industriales y comerciales de potencia, con energía. IO. de suministro en media tensión. Estos resultados indican el nivel de distorsión armónica de Trujillo. BL. para el año 2004.. BI. En la fig. 22 se reporta el THDV95 para la fase 1 en el año 2004 en. los 117 PAC en donde se muestra el valor promedio (línea verde) que es 3,34%, así mismo se observa que solo un PAC esta próximo a la normatividad (línea roja) y solo uno la sobrepasa y corresponde a un cliente común.. 38. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(47) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. En la fig. 23 se reporta el THDV95 para la fase 2 en el año 2004 en donde se muestra el valor promedio (línea verde) de los 117 PAC que es 3,36%, así mismo se observa que solo un PAC toma el valor de la normatividad (línea roja) y solo uno sobrepasa esta normatividad, así. RA DO. mismo los dos corresponden a clientes comunes.. En la fig. 24 se reporta el THDV95 para la fase 3 en el año 2004 en donde se muestra el valor promedio (línea verde) de los 117 PAC que es. SG. 3,33%, así mismo se observa que la mayoría de los PAC están debajo de. corresponde a un cliente común.. PO. la normatividad (línea roja) y solo uno sobrepasa esta normatividad y. En la tabla 7 se reporta los datos del análisis estadístico del valor de. DE. la distorsión armónica total de voltaje que se excedió en un tiempo superior al 5% del periodo de medición de una semana THDV95 y para. CA. cada fase en los 117 PAC monitoreados el año 2004. Se observa que los valores promedios en las tres fases no sobrepasa la normatividad peruana. TE. del 8%. Los valores mínimos en cada una de las tres fases son. IO. aproximadamente iguales, lo que indica que la red eléctrica de Trujillo tiene una señal con distorsión armónica diferente de cero. Los máximos. BL. sobrepasan la normatividad en las tres fases, como son 10.37%, 8,91% y. BI. 9,77% respectivamente. De lo anterior podemos concluir que para los 117 PAC analizados el. año 2004 en la red eléctrica de Trujillo, solo las tres fases de un mismo PAC sobrepaso la normatividad del 8 %, y correspondió a una. 39. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.