Estudio de calidad de la energía en la empresa: Tu mejor opción

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Unidad Profesional Adolfo López Mateos

Departamento de Ingeniería Eléctrica

TESIS

ESTUDIO DE CALIDAD DE LA ENERGÍA EN LA EMPRESA: “TU MEJOR OPCIÓN”

Que para obtener el título de:

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTA:

Romero Morales Guillermo

2001300627.

Asesores:

M. de C. Hugo Quintana Espinosa

M. de C. Jesús Alberto Flores Cruz

Ing. Daniel Mauricio Reynada Ramos

CONTENIDO

RESUMEN

……….

I

INTRODUCCIÓN

………..……… III

OBJETIVO

……… V

RELACIÓN DE FIGURAS ………... VI

RELACIÓN DE TABLAS

………... VII

NOMENCLATURA

………. VIII

GLOSARIO

………... IX

CAPÍTULO 1.

INTRODUCCIÓN 1

1.1. SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA 2

1.1.1. Generación 2

1.1.2. Transmisión 3

1.1.3. Distribución 3

1.2. SISTEMA TRIFÁSICO DE CORRIENTE ALTERNA 4

1.2.1. Configuración estrella 4

1.2.2. Configuración delta 5

1.2.3. Tensión y corriente en un circuito trifásico balanceado 6

1.2.4. Sistema trifásico desbalanceado 7

1.3. TIPOS DE CARGAS 8

1.3.1. Carga lineal 9

1.3.2. Carga no lineal 9

1.3.3. Carga resistiva, inductiva y capacitiva 9

1.3.4. Carga critica 12

1.3.5. Carga sensible 12

1.4. POTENCIA ELÉCTRICA 12

1.4.2. Factor de potencia 14

1.5. TIPOS DE USUARIOS DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA 15

1.5.1 Usuarios residenciales 15

1.5.2. Usuarios comerciales 15

1.5.3. Usuarios industriales 15

1.5.4. Usuarios de servicios 16

1.5.5 Usuarios agrícolas 16

CAPÍTULO 2.

GENERALIDADES DE LA CALIDAD DE LA ENERGIA Y ASPECTOS

NORMATIVOS 17

2.1. CALIDAD DE LA ENERGÍA 18

2.1.1 Definición de la Calidad de la Energía

2.1.2 Importancia de la Calidad de la energía 19 2.1.3 Parámetros de la Calidad de la Energía 19

2.2. FENÓMENOS ELECTROMAGNÉTICOS 20

2.2.1 Variaciones de Tensión 21

2.2.1.1Transitorios 22

a) Transitorios de pulso 22

b) Transitorios oscilatorios 23

2.2.1.2 Variaciones de corta duración 23

2.2.1.3 Variaciones de larga duración 24

2.2.1.4 Parpadeo (Efecto Flicker) 25

2.2.2 Variaciones de frecuencia 25

2.2.3 Continuidad en el servicio 26

2.2.3.1 Interrupción de corto tiempo 26

2.2.3.2 Interrupción de larga duración 27

2.2.4 Distorsión de la forma de onda 27

2.2.4.1 Componentes de DC 27

2.2.4.3 Interarmónicos 29

2.2.4.4 Muescas 30

2.2.4.5 Ruido Eléctrico 30

2.2.5 Fluctuaciones de tensión 31

2.2.6 Desbalance de tensiones 32

2.3. BAJO FACTOR DE POTENCIA (FP) 32

2.3.1 Origen del bajo factor de potencia 33

2.4.2 Problemas del bajo factor de potencia 33

2.4. Monitoreo de la Calidad de la Energía 33

2.4.1 Objetivo de la calidad de la energía 34

2.4.2 Necesidad de la calidad de la energía 34

2.5 ASPECTOS NORMATIVOS DE LA CALIDAD DE LA ENERGÍA 35

2.5.1 Suministro de la energía eléctrica 35

2.5.1.1 Características del suministro de energía eléctrica 36 2.5.1.2 Tensiones eléctricas normalizadas 36

2.5.2 Instalaciones eléctricas 38

2.5.3 Variaciones de tensión 39

2.5.4 Variaciones de frecuencia 41

2.5.5 Continuidad en el suministro 41

2.5.6 Contenido armónico 42

2.5.7 Factor de potencia 44

2.5.8 Sistema de tierra 45

2.5.9 Medición y estudio de calidad de la energía eléctrica. 46

CAPÍTULO 3

SOLUCIONES A LAS PERTURBACIONES ELÉCTRICAS 48

3.1. SUPRESORES DE PICO (TVSS) 49

3.1.1 Clasificación de los TVSS de acuerdo a la conexión con la carga 49

3.2. SISTEMAS DE ENERGÍA ININTERRUMPIDA (SAI) 52

3.2.1 Tipos de SAI estáticos 52

3.2.1.1 SAI OFF LINE 53

3.2.1.2 SAI LINE INTERCTIVE 53

3.2.1.3 SAI ON LINE doble conversión 54

3.3. FILTROS DE ARMÓNICOS 55

3.3.1 Ubicación de filtros de Armónicos 56

3.3.2 Consideraciones para el diseño del filtro de armónicos 57

3.4. BANCO DE CAPACITORES 57

3.4.1 Corrección de factor de potencia 58

3.4.1.1 Método simplificado 58

3.4.1.2 Método basado en datos del recibo de electricidad 60 3.4.1.3 Método basado en el cálculo de potencia 60 3.4.2 Ubicación de los bancos de capacitadores 60

3.4.2.1 Compensación global 61

3.4.2.2 Compensación parcial 62

3.4.2.3 Compensación individual 62

3.5. REACTORES DE LÍNEAS 63

3.6. TRANSFORMADOR DE AISLAMIENTO 64

3.7. FACTOR K 64

3.8. SISTEMA DE TIERRA 65

3.8.1 Puesta a tierra 66

CAPITULO 4

PROPUESTA DE ESTUDIO DE CALIDAD DE LA

ENERGÍA EN LA EMPRESA: TU MEJOR OPCIÓN 68

4.1. GENERALIDADES DEL USUARIO 69

4.1.1 Características eléctricas 69

4.1.2 Diagrama unifilar 70

4.2. MONITOREO DE LA ENERGÍA EN EL LA EMPRESA:

TU MEJOR OPCIÓN. 71

4.2.1 Métodos de medición 71

4.3. ANÁLISIS DEL MONITORIO 72

4.3.1 Análisis de la tensión y frecuencia suministrada 72

4.3.2 Análisis del factor de potencia 73

4.4.3 Análisis del Contenido de armónico 73

4.4. ACONDICIONAMIENTO DE LA INSTALACIÓN ELÉCTRICA 74

CAPÍTULO 5

ESTUDIO TÉCNICO-ECONÓMICO 76

5.1. ANÁLISIS DEL COSTO DE LA CALIDAD DE LA ENERGÍA 77

5.1.1 Análisis de costo del estudio de calidad de la energía 77 5.1.2 Análisis de costo del acondicionamiento de la instalación 77

5.2. BENEFICIOS TÉCNICOS-ECONÓMICOS DEL ESTUDIO DE

CALIDAD DE LA ENERGÍA 78

5.2.1 Análisis de beneficios técnicos 78

5.2.2 Análisis de beneficios económicos 78

5.3. COSTO DEL ESTUDIO DE LA CALIDAD DE LA ENERGÍA Y DEL

5.3.1 Costo del estudio de la calidad de la energía 78 5.3.2 Costo del acondicionamiento de la instalación eléctrica 79

5.3.2.1 Costo de la compensación global 79

5.4 ANÁLISIS DEL ESTUDIO COSTO-BENEFICIO 80

5.4.1 Puesta en servicio. 81

CONCLUSIONES 82

RECOMENDACIONES 83

BIBLIOGRAFÍA 84

AGRADECIMIENTOS.

A mi madre Fermina Morales Santiago que siempre has estado conmigo, que

me con tu cariño y amor me educaste para convertirme en un hombre de bien,

por ti me he realizado mis estudios profesionales.

A mi padre Dionisio Romero Guerrero, me ensenaste a trabajar y a esforzarse

por lo que quieres, gracias a tu apoyo y consejos he podido crecer personal y

profesionalmente.

A la familia Romero Nájera, gracias por apoyarme y ser un ejemplo a seguir,

gracias por todos los consejos.

A mi dualidad Fumika Wada, gracias por tu apoyo, consejos, sacrificios y

amor, eres mi inspiración.

“きみはぼくのすべて”

A la familia Ortiz Vázquez quienes me cuidaron desde niño y gracias al amor y

consejos he salido a delante.

RESUMEN.

La utilización de energía eléctrica requiere un suministro de potencia con magnitud de tensión y frecuencia constantes. La energía eléctrica es suministrada es en corriente alterna con forma de onda senoidal. La frecuencia, amplitud, forma y simetría son los parámetros que caracterizan a la onda de tensión y corriente, estos parámetros son afectadas con perturbaciones desde en el proceso de transporte y distribución de la energía desde las centrales hasta los puntos de consumo final. Las perturbaciones tienen su origen en las propias instalaciones eléctricas como consecuencia de maniobras, averías, fenómenos naturales como descargas atmosféricas así como de las diferentes cargas conectadas. Las perturbaciones en un sistema eléctrico provocan un mal funcionamiento de dispositivos de protección originando cortes de energía, calentamiento en los diferentes componentes de la red eléctrica, mayor consumo de energía reactiva y dañando cargas conectadas al sistema.

El objetivo del estudio de la calidad de la energía es analizar las perturbaciones y dar soluciones mediante el acondicionamiento de la instalación eléctrica para eliminar o atenuar las perturbaciones de acuerdo a los valores de la normatividad vigente.

Para el desarrollo de este trabajo se consideraron los siguientes capítulos: El capítulo 1 se realiza un estudio teórico de los conceptos fundamentales de los parámetros de la energía eléctrica. El capítulo 2 se realiza un estudio del marco teórico de los conceptos de calidad de la energía y sus parámetros que intervienen, así como la normatividad vigente.

INTRODUCCIÓN.

La energía eléctrica es uno de los principales insumos, ya que sin ella no se puede iluminar, producir, maquilar, facturar, etc. por lo cual tener un suministro de energía eléctrica deficiente puede representar grandes de operación e incluso pérdidas económicas, ya que muchas veces una simple variación de tensión puede ocasionar paros inesperados de la producción y caídas de los sistemas de comunicación, por lo cual la calidad de la energía es importante.

El término “calidad de la energía eléctrica” se define como la ausencia de perturbaciones que deforman la onda senoidal pura de tensión y/o corriente o altere las magnitudes de las mismas; las perturbaciones pueden ser: sobre tensión, caída tensión, interrupciones, deformación producida por armónicas y variaciones de la tensión afecten la continuidad del servicio eléctrico. Algunas de estas perturbaciones eléctricas son causados por la compañía suministradora de energía eléctrica en la transmisión y distribución, sin embargo, la mayoría de ellas son originados por los equipos conectadas a la red, es decir, por los usuarios de la energía eléctrica.

Las cargas que provocan las perturbaciones son equipos con alto contenido de dispositivos electrónicos como: rectificadores, fuentes de poder de equipo de cómputo, balastros electrónicos, UPS o SAI, variadores de velocidad de motores de corriente directa (CD) y corriente alterna (CA); (en sus diferentes aplicaciones: elevadores, equipo de aire acondicionado, bombas de agua, etc.), entre otros. La cantidad de equipos con alto contenido de dispositivos electrónicos ha crecido rápidamente en los últimos años y en consecuencia también la cantidad de disturbios que existen en las instalaciones eléctricas.

En el sistema eléctrico de potencia se encuentran conectados diferentes usuarios por lo tanto están relacionados en lo referente a la calidad de la energía eléctrica; las perturbaciones que produce un usuario se transmiten a través de los elementos del sistema eléctrico y pueden afectar a otro usuario y a la red del suministrador en general, por tal motivo, en la actualidad se están desarrollando estándares y guías que permitan evaluar la calidad del suministro eléctrico que la empresa generadora entrega al usuario y por otro lado la cantidad de disturbios que el usuario está generando e inyectando al sistema eléctrico de potencia.

Existen normas internacionales desarrolladas por el instituto conocido como la IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) referentes a la calidad de los parámetros eléctricos, la norma IEEE-519 es utilizado en México por la Comisión Federal de Electricidad en su especificación L0000-45 para evaluar los límites de distorsión armónica en tensión y corriente. La norma IEEE-1159, clasifica las variaciones de tensión de acuerdo a la magnitud y duración del evento.

El objetivo de la calidad de la energía es tener un sistema eléctrico de libre de perturbaciones en un sistema eléctrico, el estudio de la calidad de la energía se encarga de analizar las características de la energía eléctrica (tensión, corriente y sus relaciones) en función del tiempo y de la frecuencia en un punto dado del sistema eléctrico de potencia, que se evalúan contra las desviaciones permisibles que se utilizan como referencia en normas y reglamentos aplicables.

OBJETIVO.

RELACIÓN DE FIGURAS.

Pág.

Figura 1.1 Principales plantas generadoras de energía eléctrica en México 3 Figura 1.2 Forma de onda de corriente alterna trifásica ideal 4 Figura 1.3 Representación de un sistema trifásico en configuración estrella 5

Figura 1.4 Representación de un sistema trifásico en configuración delta 5 Figura 1.5 Diagrama fasorial de un sistema trifásico en configuración estrella 6

Figura 1.6 Diagrama fasorial de una carga conectada en delta 7 Figura 1.7 Formas de onda de tensión y corriente de una carga

puramente resistiva 10

Figura 1.8 Formas de onda de tensión y corriente de una carga

puramente inductiva. 10

Figura 1.9 Formas de onda de tensión y corriente de una carga

puramente capacitiva 11

Figura 1.10 A) Triangulo de potencial con potencia reactiva inductiva

B) Triangulo de potencial con potencia reactiva capacitiva 14 Figura 2.1 Componentes de la variación de tensión 22

Figura 2.2 Tipos de Transitorios 22

Figura 2.3 Variación de corta duración de caída de tensión 24 Figura 2.4 Variación de corta duración de sobre tensión 24

Figura 2.5 Interrupción de corta duración 26

Figura 2.6 Forma de onda distorsionada como resultado de la

superposición de la fundamental más la tercera armónica 28

Figura 2.7 Forma de onda con muescas 30

Figura 2.8 Forma de onda de tensión con ruido eléctrico 31

Figura 2.9 Fluctuación de tensión 31

Figura 3.1 Ubicación de supresores 50

Figura 3.2 Diagrama de funcionamiento de un SAI Off-Line 53 Figura 3.3 Diagrama de funcionamiento de un SAI INTERACTIVE 53 Figura 3.4 Diagrama de funcionamiento de un SAI ON LINE DE DOBLE

CONVERSIÓN 54

Figura 3.5 Ubicaciones de los filtros pasivos 56

Figura 3.7 Compensación parcial 62

Figura 3.8 Compensación individual 63

Figura 4.1 Diagrama unifilar de la empresa “Tú mejor opción” 70 Figura 4.2 Forma de onda de tensión trifásica por parte de la

compañía suministradora 72

Figura 4.3 Gráfica las de armónicas tensión 73

Figura 4.4 Gráfica y forma de onda de armónica de corriente 74 Figura 5.1 Facturación antes y después de la instalación del banco

RELACIÓN DE TABLAS.

Pág.

Tabla 1.1 Diferencias eléctricas entre las cargas lineales y no lineales de

fenómenos electromagnéticos 9

Tabla 2.1 Categorías y características de fenómenos electromagnéticos

en sistemas de potencia 21

Tabla 2.2 Tensiones eléctricas Normalizadas 37

Tabla 2.3 Tensiones Congeladas 38

Tabla 2.4 Límites de variación de tensión 40

Tabla 2.5 Desbalance máximo permitido en la tensión en el punto

de acometida 40

Tabla 2.6 Desbalance máximo permitido en la corriente en el punto

de acometida 41

Tabla 2.7 Límites máximos de distorsión armónica total en tensión

y de CAIMT en el punto de acometida 42

Tabla 2.8 Distorsión armónica máxima permitida en corriente

para tensión baja, media y alta hasta 69 kV 43 Tabla 2.9 Distorsión armónica máxima permitida en corriente para

tensión alta (mayor a 69 kV hasta 161 kV) 43 Tabla 2.10 Distorsión armónica máxima permitida en corriente para

tensión alta mayor a 161 kV 43

Tabla 2.11 Resistencia de la puesta a tierra 46

Tabla 3.1 kVAr a instalar por kW para aumentar el factor de potencia 59 Tabla 5.1 Precio del estudio de calidad de la energía 79

NOMENCLATURA.

Símbolo Descripción Unidades

Φ Ángulo de desfasamiento entre la V y la I ° ANCE Asociación de Normalización y Certificación

Dc Cambio de tensión en estado estacionario p.u

C Capacitancia F

Dt Característica de cambio de tensión p.u

CFE Comisión Federal de Electricidad

CAIMT Componente armónica inducido máximo de_corriente % CAIMT Componente armónica inducido máximo de tensión %

c.a. Corriente alterna

IH Corriente armónica A

V Diferencia de potencial, tensión eléctrica V

IHD Distorsión armónica individual %

THD Distorsión armónica total %

DATC Distorsión armónica total de corriente % DATA Distorsión armónica total de demanda % DATT Distorsión armónica total de tensión %

FP Factor de potencia %

f Frecuencia Hz

fh Frecuencia armónica Hz

Pst Indicador de variación de tensión de corto plazo p.u Plt Indicador de variación de tensión de largo plazo p.u

L Inductancia H

IEEE Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos NMX Norma Mexicana

NOM Norma Oficial Mexicana

T Periodo de una onda s

P Potencia activa W

S Potencia aparente VA

Q Potencia reactiva var

R Resistencia eléctrica Ω

SEP Sistema Eléctrico de Potencia.

EH Tensión armónica V

RMS valor eficaz de una cantidad variable “root mean square”

GLOSARIO.

Ángulo de fase: Desplazamiento angular entre la forma de la onda de la tensión y de la corriente, medida en grados o radianes.

Aparato: Equipo de utilización, que usualmente se fabrica en tamaños y tipos normalizados y que se instala o conecta como una unidad para realizar una o más funciones, como lavar ropa, acondicionar aire, mezclar alimentos, freír, etcétera.

Armónico: Componente sinusoidal de la tensión y/o de la corriente cuya frecuencia es múltiplo de la frecuencia de la onda fundamental. Los armónicos son esencialmente el resultado de los equipos electrónicos actuales. La electrónica de hoy en día se ha diseñado para absorber corriente en forma de "pulsos" en vez de hacerlo suavemente en forma sinusoidal, como lo hacían los antiguos equipos que no eran electrónicos. Estos pulsos producen formas de onda de corriente distorsionada, lo cual a su vez produce una distorsión de la tensión.

Caída de tensión:Pérdida de tensión en un circuito cuando circula la corriente.

Calidad: Es la condición de tensión, frecuencia y forma de onda del servicio de energía eléctrica, suministrada a los usuarios de acuerdo con las normas y reglamentos aplicables.

Capacitor: Dispositivo que almacena carga eléctrica y está formado (en su forma más sencilla) por dos placas metálicas separadas por una lámina no conductora o dieléctrico. Estos dispositivos se utilizan, entre otras cosas, para reducir caídas de tensión en el sistema de distribución.

Carga (eléctrica):Es la potencia instalada o demandada en un circuito eléctrico.

Carga lineal: Carga donde la forma de onda de la corriente en estado estable sigue la forma de onda de la tensión aplicada.

Carga no lineal: Carga donde la forma de onda de la corriente en estado estable no sigue la forma de onda de la tensión aplicada.

Conductor de puesta a tierra: Conductor utilizado para conectar un equipo o el circuito puesto a tierra de un sistema de alambrado al electrodo de puesta a tierra.

Conductor neutro: Conductor conectado al punto neutro de un sistema que está destinado a transportar corriente en condiciones normales.

Conductor puesto a tierra: Conductor de un sistema o de un circuito, intencionadamente puesto a tierra.

Consumo de energía:Potencia eléctrica utilizada por toda o por una parte de una instalación de utilización durante un período determinado de tiempo.

Continuidad: Es el suministro ininterrumpido del servicio de energía a los usuarios, de acuerdo a las normas y reglamentos aplicables.

Corriente: Es el flujo de electrones a través de un conductor. Su intensidad se mide en Amperes (A).

Demanda eléctrica: Requerimiento instantáneo a un sistema eléctrico de potencia, normalmente expresado en megawatts (MW) o kilowatts (kW).

Diferencia de potencial: Tensión entre dos puntos. Es la responsable de que circule corriente por el conductor, para que funcionen los receptores a los que está conectada la línea.

Dispositivo: Elemento de un sistema eléctrico que su principal función es conducir o controlar energía eléctrica.

Disturbio: Es la alteración de las condiciones normales del Sistema Eléctrico Nacional originada por caso fortuito o fuerza mayor, generalmente breve y peligrosa, de las condiciones normales del Sistema Eléctrico Nacional o de una de sus partes y que produce una interrupción en el servicio de energía eléctrica o disminuye la confiabilidad de la operación.

Distribución: Es la conducción de energía eléctrica desde los puntos de entrega de la transmisión hasta los puntos de suministro a los Usuarios.

Energía: La energía es la capacidad de los cuerpos o conjunto de éstos para efectuar un trabajo. Todo cuerpo material que pasa de un estado a otro produce fenómenos físicos que no son otra cosa que manifestaciones de alguna transformación de la energía. La energía eléctrica se mide en kilowatt-hora (kWh).

Equipo: Término general para referirse a: herrajes, dispositivos, aparatos, luminarias, aparatos y productos similares utilizados como partes de, o en conexión con, una instalación eléctrica.

Factor de potencia: Coseno de ángulo formado por el desfasamiento existente entre la tensión y la corriente en un circuito eléctrico alterno; representa el factor de utilización de la potencia eléctrica entre la potencia aparente o de placa con la potencia real.

Frecuencia: En sistemas de corriente alterna, velocidad a la que la corriente cambia de dirección, expresada en hercios (ciclos por segundo); Medida del número de ciclos completos de una forma de onda por unidad de tiempo.

Generación:de energía eléctrica: Producción de energía eléctrica por el consumo de alguna otra forma de energía.

Instalación: Es la infraestructura creada por el Sector Eléctrico, para la generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica, así como la de los permisionarios que se interconectan con el sistema.

Interrupción:Es la suspensión del suministro de energía eléctrica.

Maniobra:Se entenderá como lo hecho por un operador, directamente o a control remoto, para accionar algún elemento que pueda o no cambiar el esta y/o el funcionamiento de un sistema, sea el eléctrico, neumático, hidráulico o de cualquier otra índole.

Motor eléctrico: Aparato que permite la transformación de energía eléctrica en energía mecánica, esto se logra mediante la rotación de un campo magnético alrededor de unas espiras o bobinado.

Potencia: Es el trabajo o transferencia de energía realizada en la unidad de tiempo. Se mide en Watt (W).

Puesto a tierra: Conectado (conexión) a tierra o a algún cuerpo conductor que extienda la conexión a tierra.

Sistema eléctrico: Instalaciones de generación, transmisión y distribución, físicamente conectadas entre sí, operando como una unidad integral, bajo control, administración y supervisión.

Sobrecarga:Operación de un equipo por encima de su capacidad normal, a plena carga, o de un conductor por encima de su corriente nominal que, cuando persiste durante un tiempo suficientemente largo, podría causar daños o un calentamiento peligroso. Una falla, como un cortocircuito o una falla a tierra, no es una sobrecarga (véase Sobrecorriente).

Sobrecorriente: Cualquier corriente que supere la corriente nominal de los equipos o la corriente nominal de un conductor. La sobrecorriente puede provocarse por una sobrecarga, un cortocircuito o una falla a tierra.

Suministrador: Compañía de servicio público (CFE) o autorizada por la LSPEE, encargada del abastecimiento de energía eléctrica para su utilización.

Tensión (de un circuito): La mayor diferencia de potencial (tensión rms) entre dos conductores cualesquiera de un circuito considerado.

Tensión a tierra:En los circuitos puestos a tierra, es la tensión entre un conductor dado y el punto o conductor del circuito que está puesto a tierra; en circuitos no puestos a tierra es la mayor diferencia de potencial entre un conductor dado y cualquier otro conductor del circuito.

Tensión nominal: Valor nominal asignado a un circuito o sistema para designar convenientemente su clase de tensión. La tensión a la cual un circuito opera puede variar de la nominal, dentro de un margen que permite el funcionamiento satisfactorio de los equipos.

CAPITULO 1

INTRODUCCIÓN

CAPÍTULO 1.- INTRODUCCION.

1.1 Sistema eléctrico de potencia.

El sistema eléctrico de potencia (SEP), es un conjunto de elementos que tiene como objetivo generar, transmitir, distribuir y consumir la energía eléctrica. Un sistema eléctrico de potencia consta de plantas generadoras que producen la energía eléctrica consumida por las cargas, una red de transmisión y de distribución para transportar esa energía de las plantas a los puntos de consumo, así como el equipo adicional necesario para lograr que el suministro de energía se realice con las características de continuidad de servicio, regulación de tensión y control de frecuencia requeridas.

La operación de un sistema eléctrico de potencia debe cumplir los siguientes requerimientos básicos:

•Seguridad: El sistema debe operar con márgenes operativos que eviten la ocurrencia de disturbios.

•Continuidad: Se debe suministrar sin interrupciones el servicio de energía eléctrica.

•Calidad: Mantener el suministro dentro de estándares en los valores de tensión y frecuencia.

•Economía: Satisfacer en todo memento la demanda de energía eléctrica, al mínimo costo de producción.

1.1.1 Generación.

eoloeléctricas, nucleoeléctricas, entre otras. En la figura 1.1 se muestra las principales plantas generadoras de energía eléctrica que operan en México según la Comisión Federal de Energía, CFE [3].

Figura 1.1. Principales plantas generadoras de energía eléctrica en México.

1.1.2 Transmisión.

El sistema de transmisión eléctrica se compone principalmente de las líneas de transmisión, que son los elementos encargados de transmitir la energía eléctrica, desde los centros de generación a los centros de consumo. La red de transmisión se desarrolla tomando en cuenta la magnitud y la dispersión geográfica de la demanda, así como de la localización de las centrales generadoras. En México las tensiones de transmisión utilizadas son: 115 kV, 230 kV y 400 kV.

1.1.3 Distribución.

sistema eléctrico, los cuales esperan un servicio de calidad acorde a las necesidades que ellos necesitan. El sistema de distribución tiene como función principal transportar energía eléctrica de las subestaciones de potencia a los lugares de utilización de ésta, este suministro debe estar bajo los parámetros óptimos de tensión, frecuencia, forma de onda, secuencia de fases y continuidad. Los sistemas eléctricos de distribución comprenden los siguientes elementos: líneas de subtransmisión, subestaciones de distribución, transformadores de distribución, circuitos de baja tensión y acometidas.

1.2 Sistema trifásico de corriente alterna.

La corriente alterna trifásica es el conjunto de tres corrientes alternas de iguales magnitud de tensión y frecuencia, que se encuentran defasadas 120° eléctricos una de otra, En figura 1.2. Se muestra la forma de onda de un sistema trifásico balanceado en su forma ideal.

Figura 1.2. Forma de onda de corriente alterna trifásica ideal.

1.2.1 Configuración en estrella.

tensión monofásicas o los extremos A, B y C, en donde el centro es el punto neutro (n), y si además del punto neutro sacamos una línea para conectarla a la carga se obtiene lo que se denomina un sistema trifásico, cuatro hilos, conexión estrella.

Figura 1.3. Representación de un sistema trifásico en configuración estrella.

1.2.2 Configuración en delta.

La configuración delta se forma cuando se unen los extremos de las bobinas A’ con el B, y los extremos B’ con el C y finalmente los extremos C’ con el A, como se muestra en la figura 1.4, dando la forma de la delta. La característica de esta configuración es que la tensión entre fases son las mismas que las tensiones de línea, pero las corrientes son diferentes entre las de fase y las de línea.

1.2.3 Tensión y corriente en un circuito trifásico balanceado.

Un sistema esta balanceado cuando las cargas tienen impedancias (Z) idénticas en las tres, La fuente de energía de esta balanceada cuando las tensiones Van, Vbn

y Vcnque son las tensiones de línea a neutro, tienen magnitudes iguales y una

diferencia en fase de 120⁰, entre dos fases cualquiera. La figura 1.5 muestra una fuente en secuencia positiva o secuencia abc cuando Van esta adelantada de Vbn

120⁰ y Vbn esta adelantada de Vcn 120⁰.

° ∠ =V 0

V_an V_bn =V∠−120° V_cn =V∠−240° (1.1)

Figura 1.5 Diagrama fasorial de un sistema trifásico en configuración estrella.

En un sistema trifásico balanceado conectado en estrella con fuente en secuencia positiva, las tensiones de línea a línea son iguales a 3del valor de la tensión de

línea a neutro y están adelantadas a ellas 30⁰, como se muestra en la figura 1.5 y se puede expresar de la siguiente forma:

° + ∠ = 3 _an 30

ab V

V V_bc = 3V_bn∠−90° V_ca = 3V_cn∠−210° (1.2)

En la figura 1.6 se muestra el diagrama fasorial de las corriente de una carga conectada en delta balanceada. La conexión delta no tiene neutro.

Figura 1.6 Diagrama fasorial de una carga conectada en delta

Las tensiones de línea a línea de la fuente son iguales a las tensiones línea a línea de la carga,

° + ∠ = AA` 0 ab V

V Vbc =VBB`∠−120° Vca =VCC`∠−240° (1.3)

y las corrientes de la carga en delta, IAB, IBCe ICA, son:

∆

=V _Z

I ab AB

∆

=V _Z

I bc BC

∆

=V _Z

I ca

CA (1.4)

Para una carga en delta balanceada las corrientes de línea en la carga son iguales a 3del valor de la corriente en la carga y están atrasadas a ellas 30⁰.

° − ∠ = 3 _AB 30

a I

I I_b = 3I_BC∠−150° I_c = 3I_CA∠−270° (1.5)

La suma de las corrientes de línea y de carga son cero, incluso si el sistema no está balanceado, ya que no tienen neutro.

1.2.4 Sistema trifásico desbalanceado.

alguna de las fases, calentamiento excesivo en el conductor neutro; lo cual se traduce a perdidas en el sistema.

En la realidad es poco probable que el sistema se encuentre balanceado ya que la mayoría de las cargas no son constantes, pero se busca balancear las cargas lo más cercano a lo ideal. La principal causa del desbalanceo son las cargas monofásicas sobre el sistema trifásico, debido a una distribución no homogénea, en especial la de consumidores de baja tensión de índole monofásicos.

1.3 Tipos de cargas.

Una carga es definida como un elemento que transforma la energía eléctrica en un cierto tipo de trabajo útil. Las cargas se clasifican:

1) De acuerdo con el comportamiento de la forma de onda de la corriente con respecto de la forma de onda de la tensión

A) Cargas lineales B) Cargas no lineales

2) Desde el punto de vista electrotécnico las cargas pueden ser: A) Resistivas

B) Capacitivas C) Inductivas

D) Mixtas: resistiva capacitiva, resistiva inductiva, resistiva, capacitiva e inductiva.

3) de acuerdo a la importancia en la operación del sistema. A) Criticas

B) Sensibles

4) De acuerdo al tiempo de funcionamiento A) Cargas continuas

1.3.1 Carga lineal.

Es una carga eléctrica que en estado normal de operación tiene una impedancia constante a lo largo del ciclo de la señal de tensión aplicada, por lo tanto, la corriente requerida por la carga varía en función de la tensión. La corriente que se obtiene es sinusoidal con la misma frecuencia que la tensión, la corriente puede estar desplazada (ángulo ϕ) con respecto a la tensión. Este tipo de carga no contiene componentes electrónicos activos, sino únicamente resistencias (R), inductores (L) y capacitores (C). Las cargas lineales más comunes son: Alumbrado incandescente, hornos eléctricos de resistencias, motores y resistencias

1.3.2 Carga no lineal.

En carga no lineal la corriente consumida por la carga es periódica, pero no sinusoidal por lo cual la onda de corriente y tensión son diferentes. Algunos ejemplos son los ordenadores, los motores de velocidad variable, las lámparas de descarga, las máquinas soldadoras y los dispositivos de núcleo magnético que se pueden saturar entre otros.

CARGA LINEAL CARGA NO LINEAL

La corriente de la carga es proporcional a la tensión.

La corriente de la carga no es proporcional a la tensión.

La tensión de alimentación es senoidal la corriente también.

La tensión de alimentación es senoidal la corriente puede no ser senoidal Las ondas de tensión no se ven

afectadas por las ondas de corriente.

Las ondas de tensión son afectadas por las ondas de corriente.

Tabla 1.1 Diferencias eléctricas entre las cargas lineales y no lineales.

1.3.3 Carga resistiva, inductiva y capacitiva.

wt I

t

iR( )= Rmax cos (1.6)

En la figura 1.7 se muestra las formas de onda de tensión y de la corriente de una carga puramente resistiva.

Figura 1.7 Formas de onda de tensión y corriente de una carga puramente resistiva.

En una carga puramente inductiva (L) en Henry (H), la corriente va atrasada de la tensión en 90⁰, IL=V/(jXL), e

90 cos

)

(t = I max wt−

iL L (1.7)

en donde ILmáx=Vmáx/XL, y XL= ωL es la reactancia inductiva en ohms (Ω ). La figura

1.8 muestra las formas de onda de tensión y corriente de una carga puramente inductiva

En una carga puramente capacitiva (C) en farad (F), la corriente va delante de la tensión en 90⁰, IC=V/(jXC), e

90 cos

)

(t =I max wt+

iC C (1.8)

en donde ICmáx=Vmáx/XC, y XC= ωC es la reactancia capacitiva en ohms (Ω ). En la

figura 1.9 se muestra la forma de onda de tensión y corriente de una carga puramente capacitiva.

Figura 1.9 Formas de onda de tensión y corriente de una carga puramente capacitiva.

La carga que tenga una combinación de resistencia y reactancia (capacitiva, inductiva o ambas) originan un desfasamiento menor a 90 ⁰. En donde la combinación de la de la resistencia y la reactancia se denomina impedancia (Z) y se calcula:

(

)

2

C L X X R

Z = + − (1.9)

En un circuito RLC la corriente es

(

)

=I wt

t

i ( ) _max cos (1.10)

donde cos

(

)

1.3.4 Cargas críticas.

Son aquellas que requieren de un suministro de alta calidad, esto es, libre de variaciones de tensión o frecuencia. Los equipos electrónicos son más susceptibles a estos disturbios, que los equipos electromecánicos tradicionales. Ejemplos de este tipo de cargas son: Salas de cirugía y/o de cuidados intensivos, centros de datos y control, telecomunicaciones vitales, sistemas de seguridad pública y privada, etc. Por ejemplo, un paro no programado en una línea de laminación es muy costoso, mientras que la detención de un centro de datos en un banco o el funcionamiento errático o nulo de salas de riesgo vital en un hospital, puede ser catastrófica.

1.3.5 Cargas sensibles.

Son aquellas que requieren de un suministro de alta calidad, esto es, libre de variaciones de tensión o frecuencia. Los equipos electrónicos son más susceptibles a estos disturbios, que los equipos electromecánicos tradicionales. Ejemplos de este tipo de cargas son: Equipos de instrumentación, de diagnóstico y tratamientos médicos, computadoras, domótica, máquinas herramientas con controles automáticos, robótica, telecomunicaciones.

1.4 Potencia eléctrica.

La potencia es la razón de cambio de la energía con respecto al tiempo de la tensión y la corriente. La unidad de la potencia es el watt (W). Existen tres tipos de potencia eléctrica:

Potencia activa o real: Esta potencia es representada por la letra P y su unidad de medida es el watt (W). La potencia activa es la potencia utilizada por la carga, en otras palabras es la potencia absorbida por la carga.

θ cos I V

P= • (1.11)

Potencia reactiva o inductiva: Esta potencia la consumen los circuitos de corriente alterna que tienen conectadas cargas reactivas. La potencia reactiva o inductiva no proporciona ningún tipo de trabajo útil, pero los dispositivos requieren ese tipo de potencia para poder producir el campo magnético con el cual funcionan. La unidad de medida de la potencia reactiva es el volt-ampere reactivo (VAR).

θ

Isen V

Q= • (1.12)

Se le asigna un valor positivo a la Q consumida por una carga inductiva y un signo negativo por una carga capacitiva.

Potencia aparente o total: Esta potencia es la que realmente suministra una planta eléctrica cuando se encuentra funcionando al vacío, es decir, sin ningún tipo de carga conectada, mientras que la potencia que consumen las cargas conectadas al circuito eléctrico es potencia activa (P). La potencia aparente se representa con la letra “S” y su unidad de medida es el volt-ampere (VA). La fórmula matemática para hallar el valor de este tipo de potencia es la siguiente:

I V

S = • (1.13)

Es el resultado de la suma geométrica de las potencias activa y reactiva.

2 2

Q P

S = + (1.14)

1.4.1 Potencias en un sistema de corriente alterna trifásica.

En un sistema trifásico balanceado, cada una de las 3 fases del devanado o resistencia del receptor está sometida a la tensión de fase Vf y circula una

intensidad de fase If, la potencia total aparente es:

f f I V

S =3 • (1.15)

Pero como es más fácil medir los valores de línea, generalmente se calcula la potencia en función de estos valores: Siendo VL la tensión de línea e IL la

intensidad de línea;

Potencia activa (la útil) P= 3VL•IL cosφ (1.17)

Potencia reactiva (inútil) Q= 3V_L •I_L senφ (1.18)

1.4.2 Factor de potencia.

El triángulo de potencia no es más que las representaciones vectoriales de la potencia activa P, potencia reactiva Q y potencia aparente S, como se muestra en la figura 1.10.

Figura 1.10 A) Triangulo de potencial con potencia reactiva inductiva B) Triangulo de potencial con potencia reactiva capacitiva.

El factor de potencia se define como el cociente de la relación de la potencia activa entre la potencia aparente; esto es:

S P

fp = _(1.19)

• El factor de potencia es un término utilizado para describir la cantidad de energía eléctrica que se ha convertido en trabajo.

• El factor de potencia es mayor a uno cuando la mayor de la carga es inductiva y es menor a uno cuando la mayor de la carga es inductiva.

.1.5 Tipos de los usuarios de energía eléctrica.

La utilización de la energía eléctrica se ha diversificado desde su descubrimiento hasta hoy en día, paralelamente como la tecnología ha evolucionado. Esta aplicación de la energía eléctrica permite diversificar a los usuarios para su estudio en cinco grandes rubros descritos a continuación:

1.5.1 Usuarios residenciales.

Son aquellos usuarios que se encuentran conectados a las líneas de distribución de 23 kV y cuya tensión de recepción es de 127 V, monofásica, bifásica ó trifásica. Económicamente hablando estos usuarios son domésticos y su utilización de energía eléctrica es para servicios propios de vivienda, están incluidos casas particulares, edificios de viviendas y unidades habitacionales. En un enfoque de calidad de la energía este tipo de usuarios se ven afectados en menor cantidad por una calidad baja [14].

1.5.2 Usuarios comerciales.

Usuarios cuyo rubro es el comercio, entre los que se encuentran pequeños comercios, como tiendas de conveniencia, supermercados, edificios de oficinas, centros comerciales, etc. Estos usuarios pueden estar conectados a los niveles de 127 V, 220 V o 440 V, baja o mediana tensión. Demandan una mejor calidad de la energía que los usuarios domésticos, debido a las pérdidas económicas que representa una calidad baja [14].

1.5.3 Usuarios industriales.

suministro a diferentes cargas, que por ser muy diversificado se encuentran conectados a la red de 23 kV teniendo subestación propia.

La división de estos usuarios es acorde a su sector económico así como al giro y utilización de la energía eléctrica. Los usuarios industriales son los más interesados por contar con la menor cantidad de disturbios en los parámetros eléctricos, ya que ocasionarían interrupciones en el proceso de producción y por lo consecuente pérdidas económicas [14].

1.5.4 Usuarios de servicios.

Son aquellos usuarios que comercializan servicios profesionales o de cualquier tipo. Se caracterizan por llevar a cabo relaciones e interacciones sin importar los atributos físicos. Los servicios son: relación, negociación, comunicación, etc. Un servicio es una idea, es una información o una asesoría. Estos a su vez se pueden subdividir en sectores, como el sector educación, sector turismo, sector bancario, etc. [14].

1.5.5. Usuarios agrícolas.

CAPITULO 2

GENERALIDADES DE LA

CALIDAD DE LA

ENERGÍA Y ASPECTOS

NORMATIVOS

CAPÍTULO 2: GENERALIDADES DE LA CALIDAD DE LA

ENERGÍA Y ASPECTOS NORMATIVOS

2.1 Calidad de la Energía

La industria ve a la energía eléctrica como uno de sus insumos vitales e importantes para su proceso productivo, por lo cual este insumo debe de estar sujeto a requerimientos de control de calidad, confiabilidad en el suministro, etc. A estos requerimientos se les denomina “CALIDAD DE LA ENERGÍA”. La tensión que se suministra a una carga o a una instalación está caracterizada por cinco parámetros básicos: frecuencia, magnitud, forma de onda, desbalance y continuidad.

La calidad del suministro puede definirse en términos de las desviaciones de estos parámetros de sus valores ideales y de la definición de los valores máximos de desviación en términos del valor que puedan alcanzar sin que se afecte el funcionamiento de los equipos eléctricos. Aunque la continuidad es un aspecto fundamental en la calidad del servicio, cada vez toman más importancia las demás características de la onda de tensión. Esta preocupación por la calidad de la tensión, en cuanto a la presencia de perturbaciones transitorias o momentáneas, radica en el efecto de qué sobrecargas sensitivas tienen estas perturbaciones y en últimas sobre la percepción de los usuarios de la calidad del servicio.

2.1.1 Definición de la Calidad de la Energía.

2.1.2 Importancia de la calidad de la Energía.

Actualmente, el estudio de la calidad de la energía eléctrica ha adquirido mucha importancia y tal vez la razón más importante es la búsqueda del aumento de productividad y competitividad de las empresas. Asimismo porque existe una interrelación entre calidad de la energía eléctrica, la eficiencia y la productividad. Para aumentar la competitividad las empresas requieren optimizar su proceso productivo mediante:

• Usando equipos de alta eficiencia como motores eléctricos, bombas, etc.

• Automatizando sus procesos mediante dispositivos electrónicos y de computación (microcontroladores, computadoras, PLC, etc.).

• Reduciendo los costos vinculados con la continuidad del servicio y la calidad de la energía.

• Reduciendo las pérdidas de energía.

• Evitando los costos por sobredimensionamiento y tarifas.

• Evitando el envejecimiento prematuro de los equipos.

El incremento de equipos de control y automatización han aumentado los problemas en los parámetros de la energía eléctrica. Pues los equipos electrónicos son una fuente de perturbaciones para la calidad de la energía eléctrica pues distorsionan las ondas de tensión y corriente. Por otro lado los equipos de control y automatización son muy sensibles a distorsión o magnitud de la onda de tensión y corriente por lo que una variación en la calidad de la energía eléctrica puede ocasionar fallas que paralicen la producción ocasionando tiempo perdido y costos de producción inesperados.

2.1.3 Parámetros de la calidad de la energía.

• Continuidad del servicio se caracteriza por el número y duración de las interrupciones. Varios indicadores se utilizan para evaluar la continuidad del suministro en transmisión y distribución redes.

• Variaciones de frecuencia que raramente ocurren en sistemas alimentados por las compañías suministradoras, siendo más común que se encuentren en sistemas aislados de motor-generador en los que las variaciones de carga provocan variaciones de frecuencia.

• Variaciones de amplitud pueden ocurrir en diferentes formas y rangos de duración que van desde transitorios de muy corta duración hasta condiciones de estado estable.

• Variaciones en la forma de onda de tensión o corriente producidas por cargas no lineales, denominada distorsión armónica, siendo una condición de estado estable.

• Desbalanceo entre las fases de un sistema polifásico causado principalmente por la operación de cargas monofásicas desiguales que afectan principalmente a máquinas rotatorias y circuitos rectificadores trifásicos.

2.2 Fenómenos electromagnéticos.

Tabla 2 IEEE 1159. Categorías y características de fenómenos electromagnéticos en sistemas de potencia CATEGORIA CONTENIDO TIPICO

ESPECTRAL

DURACION TIPICA MAGNITUD TIPICA DEL VOLTAJE 1.0 Transitorios

1.1Impulsos

1.1.1 Nanosegundos 5 ns de elevación <50 ns 1.1.2 Microsegundos 1 μ s de elevación 50 ns - 1 ms 1.1.3 Milisegundos 0.1 ms de elevación > 1 ms 1.2 Oscilatorios

1.2.1 Baja Frecuencia < 5kHz 0.3 - 50 ms 0 - 8 pu 1.2.2 Frecuencia Media 5 - 500 kHz 20 μ s 0 - 8 pu 1.2.3 Alta Frecuencia 5 - 500 kHz 5 μ s 0 - 4 pu 2.0 Variaciones de Corta duración

2.1 Instantáneas

2.1.1 Baja tensión 0.5 - 30 ciclos 0. - 0.9 pu

2.1.2 Sobre tensión 0.5 - 30 ciclos 1.1 - 1.8 pu

2.2 Momentáneas

2.2.1 Interrupción 0.5 ciclos - 3 seg < 0.1 pu 2.2.2 Baja tensión 30 ciclos - 3 seg 0.1 - 0.9 pu 2.2.3 Sobre tensión 30 ciclos - 3 seg 1.1 - 1.4 pu 2.3 Temporal

2.3.1 Interrupción 3 seg - 1 min < 0.1 pu

2.3.2 Baja tensión 3 seg - 1 min 0.1 - 0.9 pu

2.3.3 Sobre tensión 3 seg - 1 min 1.1 - 1.2 pu

3.0 Variaciones de larga duración

3.1 Interrupción sostenida > 1 min 0.0 pu

3.2 Baja tensión > 1 min 0.8 -0.9 pu

3.3 Sobre tensión > 1 min 1.1 - 1.2 pu

4.0 Desbalance de tensiones Estado Estable 0.5 - 2 % 5.0 Distorsión de Forma de Onda

5.1 Componente de directa Estado Estable 0 - 0.1 % 5.2 Contenido armónico 0 -100th H Estado Estable 0 - 20 % 5.3 Interarmónicas 0 - 6 kHz Estado Estable 0 - 2 % 5.4 Muescas en la tensión Estado Estable

5.5 Ruido Banda amplia Estado Estable 0 - 1 %

6.0 Fluctuaciones de Tensión < 25 Hz Intermitente 0.1 - 7 % 7.0 Variaciones en la Frecuencia < 10 seg

Tabla 2.1.- Categorías y características de fenómenos electromagnéticos en sistemas de potencia.

2.2.1 Variaciones de tensión.

Figura 2.1 Componentes de la variación de tensión.

2.2.1.1 Transitorios.

Un transitorio es un impulso unidireccional de cualquier polaridad o una onda amortiguada oscilatoria con el primer pico se producen en cualquier polaridad. Los fenómenos transitorios son clasificados en dos tipos, como se muestra en la figura 2.2, de acuerdo a las características de la forma de onda de tensión y corriente.

Figura 2.2.- Tipos de Transitorios.

a) Transitorios de impulso.

deficiente, encendido de cargas inductivas, liberación de fallas de la red eléctrica y descargas electrostáticas.

b) Transitorios oscilatorios.

Un transitorio oscilatorio es un cambio de la condición de estado estable de la tensión, corriente o ambas, el cual se presenta en ambas polaridades, positivo y negativo, Se describe por su contenido espectral (frecuencia predominante), la duración y magnitud. Un transitorio oscilatorio como se ve en la figura 2.2 (b) puede durar un ciclo (16.7ms) o aún más, y puede tener frecuencias desde unos pocos cientos de ciclos hasta muchos MHz.

2.2.1.2 Variaciones de corta duración.

Esta categoría abarca los huecos de tensión e interrupciones breves. Cada tipo de variación puede ser designado como momentáneo instantánea, o temporal, dependiendo de su duración. Las variaciones de tensión de corta duración son causadas por las condiciones de falla, la energización de grandes cargas que requieren altas corrientes de arranque, o conexiones flojas en el cableado de alimentación.

Dependiendo de la ubicación de la falla y las condiciones del sistema, la falla puede causar caídas de tensión o incremento de tensión, o una pérdida total de tensión (interrupciones). La condición de fallo puede estar cerca o remoto desde el punto de interés. En cualquier caso, el impacto sobre la tensión durante la condición de fallo real es una variación de corta duración. Los cambios en la corriente que caen dentro de la duración y la magnitud categorías se incluyen también en las variaciones de corta duración.

Figura 2.3 Variación de corta duración de caída de tensión.

• Sobre tensión temporal se define como un aumento de la tensión o corriente a la frecuencia de alimentación para las duraciones de los ciclos de 0,5 a 1 min. Magnitudes típicas son entre 1,1 y 1,8 pu. Magnitud de la sobre tensión temporal también se describe por su tensión restante, en este caso, siempre mayor que 1,0. En la figura 2.4 representa la sobre tensión temporal.

Figura 2.4 Variación de corta duración de Sobre tensión.

2.2.1.3 Variaciones de larga duración.

dependiendo de la causa de la variación. Sobre tensión y baja tensión por lo general no son el resultado de las fallas del sistema. Ellos son causados por las variaciones de carga en el sistema y las operaciones del sistema de conmutación.

Las sobretensiones de larga duración son el resultado de apagar cargas, variaciones en la compensación reactiva sobre el sistema o el incorrecto ajuste de los tap´s en los transformadores, mientras las bajas tensiones son el resultado de eventos que son lo contrario a los que causan sobre tensión. Los circuitos sobrecargados también pueden generar bajas tensiones. El arranque de motores también es una de las causas más comunes de baja tensión.

2.2.1.4 Parpadeo (Efecto Flicker).

El flicker consiste en variaciones periódicas de amplitud o frecuencia en la forma de onda de la tensión, de forma que son detectadas a simple vista (se observa un parpadeo) cuando la tensión alimenta excita y otros dispositivos de para la iluminación. La variación de la amplitud de la tensión produce fluctuación en el flujo luminoso de lámparas, induciendo la impresión de inestabilidad en la sensación visual.

2.2.2 Variaciones de frecuencia.

2.2.3 Continuidad en el servicio.

La continuidad del suministro es el aspecto de calidad más inmediato y evidente, generalmente se le llama confiabilidad del suministro. Hasta no hace demasiado tiempo, era el único aspecto relevante de la calidad del servicio. A medida que los países se han ido desarrollando, se han alcanzado mayores niveles de continuidad del suministro cada vez más aceptados por los clientes, sobre todo en zonas urbanas o de gran consumo. Pero también han aparecido equipos que están suministrando cada vez más perturbaciones en la red (computadoras, convertidores, etc.) y que además son más sensibles a esas mismas perturbaciones u otras ya existentes en la red.

2.2.3.1 Interrupción de corto tiempo.

La interrupción se produce cuando la tensión de alimentación o la corriente de carga disminuye a menos de 0,1 p.u. durante un período de tiempo no superior a 1 minuto, como se muestra en la figura 2.5. Las interrupciones pueden ser el resultado de fallas en los sistemas de potencia, fallas en el equipo y mal funcionamiento de los controles. Las interrupciones se miden por su duración, puesto que la magnitud de la tensión es siempre menor del 10 % del nominal. La duración de una interrupción debido a una falla en el sistema de la suministradora se determina por el tiempo de operación de los dispositivos de protección de la compañía suministradora.

2.2.3.2 Interrupción de larga duración.

Las interrupciones sostenidas son cuando la tensión de suministro es cero, por un periodo de tiempo que excede a 1 minuto, la variación de la tensión de larga duración se considera una interrupción sostenida. Las interrupciones son el resultado de fallas en el sistema de potencia, fallas en el equipo, déficit de generación, mal funcionamiento de los controles y del mantenimiento programado

2.2.4 Distorsión de la forma de onda.

La distorsión de forma de onda es una desviación de estado estacionario de una onda senoidal ideal de frecuencia de alimentación caracteriza principalmente por el contenido espectral de la desviación.

2.2.4.1 Componentes de DC.

La presencia de componentes de corriente continua en un sistema de corriente alterna se le conoce como componente de DC. Este fenómeno puede ocurrir como resultado de una perturbación magnética o debido al efecto de rectificación de media onda. La corriente directa en redes de corriente alterna puede ser perjudicial debido a un aumento de la saturación del transformador, subrayando adicional de aislamiento, y otros efectos adversos.

2.2.4.2 Armónicos.

Figura 2.6 Forma de onda distorsionada como resultado de la superposición de la fundamental más la tercera armónica.

Esta perturbación es causada generalmente por equipos o carga que tienen un funcionamiento con características de tensión-corriente no lineal. Los armónicos son un fenómeno que genera problemas tanto para los usuarios como para la entidad encargada de la prestación del servicio de energía eléctrica ocasionando diversos efectos negativos en los equipos de la red. Muchas de las cargas instaladas en el sistema eléctrico son grandes generadoras de armónicos que combinados con la impedancia del sistema eléctrico, producen armónicos de tensión. Los indicadores de armónicos permiten evaluar la cantidad de armónicos presentes en una instalación eléctrica, estos indicadores pueden ser de forma individual, es decir, el indicador de cada armónica y de forma total respecto a la fundamental. En la actualidad existen equipos de medición de los indicadores de armónicos, tales como los analizadores de redes.

La distorsión armónica individual (CI) es la relación entre la media cuadrática (RMS) del valor del armónico individual y el valor eficaz de la fundamental. Es decir [16]:

1

I I IHD n

n =

(

La distorsión armónica individual indica la contribución de cada armónico a la distorsión de la forma de onda, y la distorsión total armónica describe la desviación neta de toda la distorsión sobre la fundamental. La distorsión armónica individual sirve para efectuar procesos de eliminación de armónicos, debido a que es un parámetro individual el cual muestra el comportamiento de una forma de onda armónica que afecta a cierto sistema eléctrico, basado en IHD se pueden proponer métodos de mitigación de armónicos. La distorsión armónica total es un término usado para describir la desviación neta de los armónicos, los porcentajes de distorsión son diferentes con respecto a la distorsión armónica individual. La distorsión armónica total es la relación entre el valor RMS de los armónicos y el valor RMS de la fundamental. Por ejemplo si una corriente no lineal tiene una componente fundamental I1 y componentes armónicas I2, I3, I4, I5, I6, I7, ….., en

términos del valor RMS se tiene que el valor total del armónico es:

(2.2)

(2.3)

Siendo para la distorsión armónica de tensión las siguientes ecuaciones:

(2.4)

(2.5)

La distorsión armónica total no proporciona parámetros particulares de las componentes de la distorsión armónica, pero los parámetros arrojados por la distorsión armónica total es de utilidad para el conocimiento de la forma de onda así como la frecuencia armónica característica. Esto es una referencia para el monitoreo de los armónicos.

2.2.4.3 Interarmónicos.

banda amplia. Las inter-armónicas se pueden encontrar en las redes eléctricas a todos los niveles de tensión. Las fuentes principales de inter-armónicas son los convertidores estáticos de frecuencia, los ciclo convertidores, los hornos de inducción y los dispositivos de arco.

2.2.4.4 Muescas.

Es un disturbio periódico de tensión causado por la operación normal de los dispositivos de electrónica de potencia cuando la corriente es conmutada de una fase a otra, en la figura 2.7 se muestra la forma de onda fundamental con muescas

Figura 2.7 Forma de onda con muescas.

La muesca de tensión representa un caso especial que se encuentra entre los transitorios y distorsión armónica. Puesto que el resaque se presenta de manera continua, se puede caracterizar a través del espectro armónico de tensión afectado. Sin embargo, se trata como un caso especial. Las componentes de frecuencia asociadas con el resaque pueden ser muy altas y no se pueden caracterizar rápidamente con el equipo de medición que normalmente se usa para análisis armónico.

2.2.4.5 Ruido eléctrico.

potencia, circuitos de control, equipo de arqueo (soldadoras, punteadoras, hornos de arco, etc) cargas con rectificadores de estado sólido y suministro de energía conmutada. Los problemas de ruido se incrementan de manera considerable por la inadecuada puesta a tierra. El rango de frecuencia y nivel de magnitud del ruido depende de la fuente que lo produce y las características del sistema eléctrico. La magnitud típica del ruido es menor del 1% de la magnitud del tensión. Los disturbios por ruido afectan principalmente los dispositivos electrónicos tales como minicomputadoras y controladores programables

Figura 2.8 Forma de onda de tensión con ruido eléctrico.

2.2.5 Fluctuaciones de tensión.

2.2.6 Desbalance de tensiones.

Un desbalance de tensión en un sistema trifásico sistemas se define como una condición en la que los tres tensiones de fase no son iguales en magnitud y / o el desplazamiento ángulos entre ellos son diferente de 120º (4). El desequilibrio de tensión se define como la relación de la componente de secuencia negativa o cero al componente de secuencia positiva. Las tensiones negativas o de secuencia cero en un sistema de energía generalmente resultan de cargas desequilibradas provocando corrientes de secuencia negativa o cero, el desequilibrio se puede estimar como la desviación máxima de la media de las tensiones o corrientes trifásicas, dividido por el promedio de las tensiones o corrientes de tres fases, expresado en porcentaje [3].

La principal causa son las cargas monofásicas sobre el sistema trifásico, debido a una distribución no homogénea, en especial la de consumidores de baja tensión de índole monofásicos. Para igual dispersión de cargas monofásicas, la configuración del tipo de red de distribución y transmisión incide sobre la propagación del desbalance. La configuración de red radial, mostrará niveles mayores que una red mallada.

2.3 Bajo Factor de potencia.

2.3.1 Origen del Bajo Factor de potencia.

La mayoría de los equipos eléctricos utilizan potencia activa o real que es la que hace el trabajo real y utilizan también la potencia reactiva, la cual no produce un trabajo físico directo en los equipos. Un alto consumo de energía reactiva puede producirse como consecuencia principalmente de:

• Un gran número de motores.

• Presencia de equipos de refrigeración y aire acondicionado.

• Una sub-utilización de la capacidad instalada en equipos electromecánicos, por una mala planificación y operación en el sistema eléctrico de la industria.

• Un mal estado físico de la red eléctrica y de los equipos de la industria.

2.3.2 Problemas del bajo Factor de potencia.

El factor de potencia está ligado directamente con la corriente del sistema, y a su

vez con el aprovechamiento de la energía que se consume. Por lo cual si se

aumenta la corriente la cual es innecesaria se ocasionan grandes problemas,

como son:

• Incremento de las pérdidas por efecto Joule. Las pérdidas por el efecto Joule se manifiestan en: calentamiento de cable, calentamiento en la

bobina de transformadores y disparos sin causa aparente de los

dispositivos de protección.

• Sobrecarga de los generadores, transformadores y líneas de distribución

• Aumento de la caída de tensión.

• Cargos de facturación altas.

2.4 Monitoreo de la Calidad de la Energía.

análisis precisos de la calidad de la energía con monitoreo de instrumentos que pueden detectar problemas e identificar soluciones de manera efectiva.

2.4.1 Objetivo del monitoreo de la Calidad de la Energía.

El monitoreo de la calidad de potencia es necesario para conocer las características de los fenómenos electromagnéticos en un punto particular de la red de alimentación eléctrica. En algunos casos, el objetivo del monitoreo es para diagnosticar incompatibilidades entre la fuente de alimentación eléctrica y la carga. En otros, el monitoreo puede utilizarse para predecir el futuro comportamiento de los equipos de carga o dispositivos de mitigación de calidad de energía. En cualquier caso, la tarea más importante en cualquier proyecto de monitoreo es definir claramente los objetivos de la supervisión. Los objetivos de la supervisión de un proyecto en particular determinará la elección de los equipos de monitoreo, el método de levantamiento de datos, los umbrales de activación necesarios, la técnica de análisis de datos a emplear, y el nivel general de esfuerzo requerido del proyecto. El objetivo puede ser tan simple como la verificación de la regulación de la tensión en estado estacionario a una entrada de servicio, o puede ser tan complejo como el análisis de los flujos de corriente armónica dentro de una red de distribución.

2.4.2 Necesidad del monitoreo de la Calidad de la Energía.

fenómenos electromagnéticos que requieren que el producto dañado o bien reciclarse o desecharse, los cuales son los temas económicos.

Además de resolver las interrupciones de equipos, una base de datos de las tolerancias de los equipos y la sensibilidad puede ser desarrollado a partir de datos del monitoreo. Esta base de datos puede proporcionar una base para el desarrollo de especificaciones y directrices de compatibilidad de equipos para futuras mejoras de equipo. Además, una base de datos de las causas para las perturbaciones registradas se puede utilizar para hacer mejoras del sistema.

2.5 Aspectos normativos de la calidad de la energía.

Las normas tienen como objetivo asegurar valores, cantidades y características mínimas o máximas en el diseño, producción o servicio de los bienes de consumo entre personas morales y/o físicas, sobre todo los de uso extenso y fácil adquisición por el público en general. En México para el suministro y utilización de la energía eléctrica se encuentra normalizada desde La Ley del Servicio Público de la Energía Eléctrica (LSPEE) y su reglamento, las normas oficiales mexicanas (NOM), las normas mexicanas (NMX), normas de referencia ANCE y normas internacionales como IEEE las cuales brindan los parámetros en los cuales se deben de mantener para tener el suministro y consumo de la energía eléctrica.

2.5.1 Suministro de energía eléctrica.

El suministro de energía eléctrica a los clientes en México, está regido por la ley del servicio público y su reglamento en donde solo se especifican los límites superior e inferior de la tensión de suministro, en el punto de entrega del usuario. En México la compañía suministradora de energía eléctrica es la Comisión Federal de electricidad (CFE) como lo indica La Ley del Servicio Público de la Energía Eléctrica (LSPEE).y tendrá la misión de:

1. La planeación del sistema eléctrico nacional;