Diagnóstico de perturbaciones armónicas en el Sistema Nacional Interconectado

Texto completo

(1)La versión digital de esta tesis está protegida por la Ley de Derechos de Autor del Ecuador.. Los derechos de autor han sido entregados a la NACIONAL. ESCUELA POLITÉCNICA. bajo el libre consentimiento del (los) autor(es).. Al consultar esta tesis deberá acatar con las disposiciones de la Ley y las siguientes condiciones de uso: • Cualquier uso que haga de estos documentos o imágenes deben ser sólo para efectos de investigación o estudio académico, y usted no puede ponerlos a disposición de otra persona. • Usted deberá reconocer el derecho del autor a ser identificado y citado como el autor de esta tesis. • No se podrá obtener ningún beneficio comercial y las obras derivadas tienen que estar bajo los mismos términos de licencia que el trabajo original.. El Libre Acceso a la información, promueve el reconocimiento de la originalidad de las ideas de los demás, respetando las normas de presentación y de citación de autores con el fin de no incurrir en actos ilegítimos de copiar y hacer pasar como propias las creaciones de terceras personas.. Respeto hacia sí mismo y hacia los demás.

(2) ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. DIAGNÓSTICO DE PERTURBACIONES ARMÓNICAS EN EL SISTEMA NACIONAL INTERCONECTADO. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO ELÉCTRICO. NELSON ROLANDO NOROÑA LUCERO [email protected]. DIRECTOR: DR. HUGO ARCOS [email protected]. Quito, marzo 2011.

(3) i. DECLARACIÓN. Yo Nelson Rolando Noroña Lucero, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.. A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. ______________________ Rolando Noroña.

(4) ii. CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Nelson Rolando Noroña Lucero, bajo mi supervisión. ________________________ Dr. Hugo Arcos DIRECTOR DEL PROYECTO.

(5) iii. AGRADECIMIENTOS. A Dios por llenar mi vida de bendiciones. A mis padres quienes a lo largo de mi vida han velado por mi bienestar y educación siendo mi apoyo en todo momento. Gracias por iluminar mi camino. Al Dr. Hugo Arcos, mi director de tesis y amigo a la vez, por haber confiado en mi persona, por la paciencia y el apoyo constante en cada una de las dificultades presentadas en el desarrollo de este proyecto. Gracias por permitir cumplir una de mis metas. A la Escuela Politécnica Nacional, a la Facultad de Ingeniería Eléctrica y a cada uno de sus profesores quienes compartieron sus conocimientos. A mis amigos y amigas, que de alguna manera con sus palabras de aliento incitaron aún más la finalización de la tesis..

(6) iv. DEDICATORIA. A mis padres NELSON y LUPE con mucho amor y cariño les dedico todo mi esfuerzo y trabajo puesto para la realización de esta tesis.. A mis hermanos CHRISTIAN Y TANIA. A la Flia. Noroña Muñoz y Flia. Lucero Andrade.

(7) v CONTENIDO. DECLARACIÓN ........................................................................................................i CERTIFICACIÓN ......................................................................................................ii AGRADECIMIENTOS ..............................................................................................iii DEDICATORIA.........................................................................................................iv CONTENIDO.............................................................................................................v RESUMEN ................................................................................................................x PRESENTACIÓN.....................................................................................................xi CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN .......................................................................... 1 1.1 ANTECEDENTES ......................................................................................... 1 1.2 OBJETIVOS .................................................................................................. 2 1.2.1 OBJETIVO GENERAL ........................................................................... 2 1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................. 2 1.3 ALCANCE ..................................................................................................... 2 1.4 JUSTIFICACIÓN ........................................................................................... 2 CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO ....................................................................... 4 2.1 COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) ...................................... 4 2.2 AMBIENTE ELECTROMAGNÉTICO............................................................. 6 2.3 PERTURBACIONES EN REDES ELÉCTRICAS ........................................... 8 2.3.1 ARMÓNICOS ......................................................................................... 9 2.3.1.1 Definición. ......................................................................................... 9 2.3.1.2 Efectos ........................................................................................... 10 2.3.1.2.1 Cables y Conductores .............................................................. 11 2.3.1.2.2 Transformadores ...................................................................... 11 2.3.1.2.3 Sobrecalentamientos de los conductores neutros .................... 13 2.3.1.2.4 Bancos de Capacitores ............................................................ 14 2.3.1.2.5 Motores de Inducción ............................................................... 15 2.3.1.2.6 Otros Equipos .......................................................................... 16 2.3.1.3 Elementos generadores de armónicas ........................................... 17 2.3.1.3.1 Rectificadores Monofásicos ..................................................... 17 2.3.1.3.2 Rectificadores Polifásicos ........................................................ 18 2.3.1.3.3 Convertidores Alterna-Alterna .................................................. 18 2.3.1.3.4 Hornos de Arco ........................................................................ 18 2.3.1.3.5 Los Transformadores ............................................................... 19.

(8) vi 2.3.1.3.6 Máquinas Rotativas.................................................................. 19 2.3.1.4 Medición de Armónicos .................................................................. 20 2.3.1.4.1 Puntos de Medición.................................................................. 22 2.3.2 INTERARMÓNICOS ............................................................................ 23 2.3.2.1 Efectos de los Interarmónicos......................................................... 23 2.3.3 FLUCTUACIONES DE VOLTAJE ........................................................ 23 2.3.3.1 Fuentes de Fluctuaciones de Voltaje .............................................. 25 2.3.3.2 Efectos de las Fluctuaciones de Voltaje ......................................... 25 2.3.4 CAÍDAS E INTERRUPCIONES BREVES DE VOLTAJE ..................... 25 2.3.4.1 Fuentes y Efectos ........................................................................... 26 2.3.5 DESBALANCE DE VOLTAJE .............................................................. 26 2.3.6 TRANSMISIONES DE SEÑALES EN LA RED .................................... 27 2.3.7 VARIACIONES DE FRECUENCIA ...................................................... 27 2.3.8 INCREMENTOS BREVES DE VOLTAJE (SWELLS)........................... 28 2.3.9 VARIACIONES DE VOLTAJE DE LARGA DURACIÓN. ...................... 28 2.3.10 TRANSITORIOS ................................................................................ 29 2.3.10.1 Transitorios Impulsivos ................................................................. 29 2.3.10.2 Transitorios Oscilatorios ............................................................... 30 2.3.11 MUESCAS DE VOLTAJE (NOTCHES) .............................................. 30 2.4 CONTROL DE ARMÓNICOS ...................................................................... 31 2.4.1 FILTROS ARMÓNICOS ....................................................................... 32 2.4.1.1 Filtros Pasivos ................................................................................ 32 2.4.1.1.1 Filtro Pasivo Serie .................................................................... 32 2.4.1.1.2 Filtros Pasivo Shunt. ................................................................ 33 2.4.1.2 Filtros Activos ................................................................................. 34 2.4.1.2.1 Filtros Activos Serie ................................................................. 35 2.4.1.2.2 Filtros Activos Paralelo............................................................. 36 CAPÍTULO 3: METODOLOGÍA PROPUESTA PARA EL DIAGNÓSTICO DEL CONTENIDO ARMÓNICO EN SISTEMAS DE POTENCIA ................................ 37 3.1 SISTEMA NACIONAL INTERCONECTADO ECUATORIANO .................... 37 3.2 MODELACIÓN DEL S.N.I. .......................................................................... 37 3.2.1 CREACIÓN DE LA BASE DE DATOS ................................................. 38 3.2.1.1 Creación de un Proyecto y Redes del Sistema ............................... 38 3.2.1.2 Creación de Diagramas Unifilares .................................................. 41 3.2.1.3 Casos de Estudio y Escenarios del Sistema................................... 46.

(9) vii 3.2.1.4 Redes Equivalentes (Red Externa. ElmXnet) ................................. 50 3.3 MODELACIÓN DE CARGAS ARMÓNICAS ................................................ 54 3.3.1 CÁLCULO DEL LUGAR GEOMÉTRICO IMPEDANCIA VERSUS FRECUENCIA ...................................................................................... 54 3.3.2 METODOS DE ANÁLISIS EN EL DOMINIO DE LA FRECUENCIA POR INYECCIÓN DE CORRIENTE ............................................................. 55 3.3.3 IMPEDANCIA – FRECUENCIA EN DIGSILENT POWER FACTORY.. 56 3.3.4 DISTORSIÓN ARMÓNICA EN DIGSILENT POWER FACTORY ........ 63 3.3.5 METOGOLOGÍA DE ANÁLISIS ........................................................... 66 CAPÍTULO 4: APLICACIÓN METODOLÓGICA AL S.N.I. ................................. 85 4.1 S/E CUENCA 138/69 kV ............................................................................. 85 4.1.1 MODELACIÓN DEMANDA MEDIA S/E CUENCA ............................... 85 4.1.2 MODELACIÓN DEMANDA MÍNIMA S/E CUENCA.............................. 88 4.2 S/E PASCUALES 138/69 kV ....................................................................... 90 4.2.1 MODELACIÓN D. MÁXIMA - ALIMENTADOR STA. ELENA - CON CAPACITOR ........................................................................................ 91 4.2.2 MODELACIÓN D. MEDIA - ALIMENTADOR STA. ELENA – CON CAPACITOR ........................................................................................ 93 4.2.3 MODELACIÓN D. MÍNIMA – ALIMENTADOR STA.ELENA - CON CAPACITOR ........................................................................................ 95 4.2.4 MODELACIÓN D. MÁXIMA - ALIMENTADOR STA.ELENA - SIN CAPACITOR ........................................................................................ 98 4.2.5 MODELACIÓN D. MEDIA - ALIMENTADOR STA.ELENA - SIN CAPACITOR ........................................................................................ 99 4.2.6 MODELACIÓN D. MÍNIMA – ALIMENTADOR STA. ELENA – SIN CAPACITOR ...................................................................................... 101 4.2.7 MODELACIÓN D. MÁXIMA – ALIMENTADOR POLICENTRO 1 - CON CAPACITOR ...................................................................................... 103 4.2.8 MODELACIÓN D. MEDIA – ALIMENTADOR POLICENTRO 1 – CON CAPACITOR ...................................................................................... 105 4.2.9 MODELACIÓN D.MÍNIMA – ALIMENTADOR POLICENTRO 1 - CON CAPACITOR ...................................................................................... 107 4.2.10 MODELACIÓN D. MÁXIMA – ALIMENTADOR POLICENTRO 1 - SIN CAPACITOR ...................................................................................... 110.

(10) viii 4.2.11 MODELACIÓN D. MEDIA – ALIMENTADOR POLICENTRO 1 - SIN CAPACITOR ...................................................................................... 111 4.2.12 MODELACIÓN D. MÍNIMA – ALIMENTADOR POLICENTRO 1 – SIN CAPACITOR ...................................................................................... 113 4.3 S/E SANTA ROSA 138 kV – ALIMENTADOR VICENTINA ....................... 114 4.3.1 MODELACIÓN D. MÁXIMA – ALIMENTADOR VICENTINA - CON CAPACITOR ...................................................................................... 115 4.3.2 MODELACIÓN D. MEDIA – ALIMENTADOR VICENTINA – CON CAPACITOR ...................................................................................... 117 4.3.3 MODELACIÓN D.MÍNIMA – ALIMENTADOR VICENTINA - CON CAPACITOR ...................................................................................... 119 4.3.4 MODELACIÓN D. MÁXIMA – ALIMENTADOR VICENTINA - SIN CAPACITOR ...................................................................................... 121 4.3.5 MODELACIÓN D. MEDIA – ALIMENTADOR VICENTINA - SIN CAPACITOR ...................................................................................... 123 4.3.6 MODELACIÓN D. MÍNIMA – ALIMENTADOR VICENTINA – SIN CAPACITOR ...................................................................................... 124 4.4 S/E SANTA ROSA 230 kV - ALIMENTADOR STO. DOMINGO ................ 126 4.4.1 MODELACIÓN D. MÁXIMA –ALIMENTADOR STO. DOMINGO ....... 126 4.4.2 MODELACIÓN D. MEDIA – ALIMENTADOR STO.DOMINGO .......... 128 4.4.3 MODELACIÓN D.MÍNIMA – ALIMENTADOR STO.DOMINGO ......... 130 4.5 S/E TOTORAS 138 kV .............................................................................. 132 4.5.1 MODELACIÓN D. MÁXIMA S/E TOTORAS 138 kV .......................... 132 4.5.2 MODELACIÓN D. MEDIA S/E TOTORAS 138 kV ............................. 134 4.5.3 MODELACIÓN D.MÍNIMA S/E TOTORAS 138 kV............................. 136 CAPÍTULO 5: ANÁLISIS DE RESULTADOS................................................... 139 5.1 LÍMITES ARMÓNICOS ESTABLECIDOS EN NORMAS .......................... 139 5.1.1 LÍMITES PERMITIDOS ...................................................................... 139 5.1.2 LÍMITES DEL CONTENIDO ARMÓNICO DE CORRIENTE .............. 139 5.1.3 LÍMITES DEL CONTENIDO ARMÓNICO DE VOLTAJE ................... 141 5.2 COMPARACIÓN DE ÍNDICES DE DISTORSIÓN ARMÓNICA CON LÍMITES ESTABLECIDOS EN NORMAS .................................................................. 142 5.2.1 ÍNDICE ARMÓNICO DE CORRIENTE .............................................. 142 5.2.2 ÍNDICE ARMÓNICO DE VOLTAJE ................................................... 146.

(11) ix 5.3 ANÁLISIS DEL LUGAR GEOMÉTRICO IMPEDANCIA VERSUS FRECUENCIA ............................................................................................ 148 CAPÍTULO 6: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................. 152 6.1 CONCLUSIONES...................................................................................... 152 6.2 RECOMENDACIONES ............................................................................. 153 CAPÍTULO 7: Bibliografía .............................................................................. 155. ANEXO 1 S.N.I Ecuatoriano..……………………………………………………...….158 ANEXO 2 Distorsión Armónica de Corriente.........................................................162 ANEXO 3 Lugar Geométrico.................................................................................171 ANEXO 4 Distorsión Armónica de Voltaje.............................................................179.

(12) x. RESUMEN Los sistemas de potencia tienen como finalidad satisfacer la demanda eléctrica respetando los criterios de calidad establecidos en normas y regulaciones, hoy en día los avances tecnológicos han motivado en los consumidores de energía eléctrica la necesidad de contar con un servicio de alta calidad, razón por la que es importante diagnosticar mediante medición, modelación y simulación el comportamiento del sistema en presencia de armónicos.. En este contexto. surge la idea de realizar un estudio que permita emular las condiciones de calidad de servicio que entrega el sistema de transmisión, con la finalidad de contar con redes eléctricas equivalentes para los diferentes puntos de conexión del Sistema Nacional Interconectado (S.N.I.) con las que se puedan realizar estudios de armónicos. De acuerdo a los diagramas unifilares de cada uno de los puntos donde se registran mediciones, se modelan fuentes de corrientes armónicas que emulan las mediciones. realizadas (I.medida) y mediante cálculos empíricos se. modelan fuentes armónicas de corrientes (I.calculada), que permiten representar las inyecciones de corrientes armónicas producidas por las cargas que no registran mediciones de armónicos. Con el módulo de flujos de potencia armónica (1) del software DIgSILENT Power Factory, se implementan las fuentes de corriente modeladas a redes eléctricas equivalentes para cada nodo de entrega del S.N.I. Posteriormente se obtienen los armónicos de voltaje y se comparan con los medidos en el punto de entrega bajo condiciones de demanda máxima, media y mínima. Los valores de corrientes obtenidos en el flujo de potencia armónica, se comparan con los límites establecidos en la Regulación CONELEC 003/08. Esta comparación permite verificar si los límites establecidos en la regulación, guardan relación con las condiciones reales del sistema eléctrico ecuatoriano. Adicionalmente y sobre la base de los análisis de armónicos realizados conforme al uso de las redes equivalentes obtenidas, se recomiendan posibles soluciones a los problemas de perturbaciones armónicas detectados..

(13) xi. PRESENTACIÓN. En la actualidad con el avance tecnológico las cargas industriales, comerciales y residenciales disponen de equipos electrónicos, que por su comportamiento no lineal provocan efectos en la calidad de servicio de los sistemas de transmisión y distribución (distorsiones en la onda de voltaje y corriente), causando varios problemas a las redes del sistema. En el presente estudio se modela redes equivalentes que permitan realizar un diagnóstico del sistema eléctrico de potencia en presencia de armónicos. Partiendo de. mediciones armónicas de voltaje y corriente realizadas por. CONELEC en las barras de entrega de potencia del Sistema Nacional de Transmisión, se modelan fuentes armónicas de corriente, que permiten emular los valores de distorsión armónica de voltaje medidos en los puntos de entrega del Sistema Nacional Interconectado. Por otro lado y en aplicación de la Regulación CONELEC 003/08, se plantean posibles soluciones para cada uno de los problemas de incumplimientos que se detectan en los análisis realizados..

(14) 1. CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN 1.1 ANTECEDENTES Con el paso del tiempo el mundo se ha visto involucrado en cambios muy importantes tal como es el avance tecnológico, haciendo que estos cambios provoquen efectos colaterales en el sector eléctrico; la Calidad de Servicio Eléctrico se ha vuelto un tema de gran importancia tanto para las empresas proveedoras de electricidad como para los consumidores; los actores principales del Mercado Eléctrico como son: generación, transmisión y distribución, se ven obligados a proporcionar un adecuado nivel de calidad y confiabilidad del suministro de Energía Eléctrica. La Calidad de Servicio Eléctrico abarca varios aspectos como: Cumplimiento de las Normas Eléctricas establecidas. Mantener la seguridad sobre la base de una adecuada operación y mantenimiento de Instalaciones Eléctricas. Correcta medición y facturación del Servicio Eléctrico. Continuidad de Servicio. Debido al avance tecnológico las señales eléctricas en los Sistemas de Potencia presentan niveles de contaminación armónica, dicha contaminación se debe principalmente a la presencia de cargas que incluyen dispositivos de conmutación electrónica que inyectan corrientes armónicas que se reflejan en voltajes armónicos de mayor o menor magnitud en función de las características de impedancia y de la frecuencia, en los distintos puntos de los sistemas de potencia. Es por tanto de suma importancia diagnosticar mediante medición, modelación y simulación, el comportamiento del sistema en lo referente a la presencia de armónicos. Sobre la base de los resultados obtenidos se podrán recomendar alternativas de mitigación, así como reformulaciones de las regulaciones establecidas por las instituciones de regulación y control..

(15) 2. 1.2 OBJETIVOS 1.2.1 OBJETIVO GENERAL Simular los armónicos - tipo en las barras de entrega del Sistema Nacional Interconectado (S.N.I) bajo diferentes condiciones operativas y recomendar posibles soluciones a los problemas detectados de perturbaciones armónicas detectados. 1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS •. Modelar los lugares geométricos Impedancia vs. Frecuencia en el punto de conexión de las cargas.. •. En base a mediciones y registros existentes, modelar fuentes armónicas en barras de entrega que permitan la realización de futuros estudios de conexión de cargas y equipos especiales al S.N.I.. •. Detectar posibles problemas de armónicos en base a las regulaciones de calidad. existentes. y. establecer. soluciones. que. contribuyan. al. mejoramiento de la calidad de servicio del sistema eléctrico nacional.. 1.3 ALCANCE Con la ayuda de mediciones y registros existentes se diagnostica la calidad de potencia que entrega el Sistema de Transmisión y se verifica el cumplimiento de las regulaciones de calidad correspondientes, en caso de incumplimientos se pretende establecer recomendaciones que conlleven al mejoramiento de la calidad de servicio y en consecuencia la reducción de armónicos en el sistema; adicionalmente se busca modelar fuentes armónicas equivalentes que pueden ser utilizadas en futuros estudios de conexión de cargas especiales.. 1.4 JUSTIFICACIÓN Debido al avance tecnológico las señales eléctricas en los Sistemas de Potencia presentan niveles de contaminación armónica, dicha contaminación se debe principalmente a la presencia de cargas que incluyen dispositivos de conmutación electrónica que inyectan corrientes armónicas que se reflejan en.

(16) 3. voltajes armónicos de mayor o menor magnitud en función de las características de impedancia y frecuencia en los distintos puntos de los sistemas de potencia. Es por lo tanto necesario diagnosticar mediante medición, modelación y simulación, el comportamiento del sistema en lo referente a la presencia de armónicos. Sobre la base de los resultados obtenidos se podrán establecer recomendaciones tanto en crear planes de mitigación como reformulación de las regulaciones establecidas..

(17) 4. CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO 2.1 COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC) Un Sistema Eléctrico de Potencia se encuentra expuesto a diversos factores que. impiden. la. operación. eficiente. del. mismo;. la. Compatibilidad. Electromagnética hace referencia a la interferencia entre los equipos eléctricos y electrónicos. En la Figura 2.1 se presentan los elementos que interfieren en el problema de la Compatibilidad Electromagnética, tomando en cuenta que el problema se lo visualizará en el Receptor.. Figura 2.1 Elementos de compatibilidad electromagnética. 15. La EMC analiza dos aspectos fundamentales para que un equipo tenga compatibilidad: -. Inmunidad o Susceptibilidad.- Un equipo funciona satisfactoriamente en un ambiente electromagnético sin ser interferido por otros.. -. Un equipo no debe ser fuente de perturbaciones – Emisión Nula. Se debe considerar el Nivel y el Límite tanto de Emisión como de Inmunidad..

(18) 5. Figura 2.2 Nivel de Perturbaciones. 1. Margen de Compatibilidad: Es la magnitud de la perturbación a la cual debe existir una aceptable y alta probabilidad de compatibilidad electromagnética.. Figura 2.3 Margen de Compatibilidad. 1. Margen de Inmunidad: Relación entre el Límite de Inmunidad y el Nivel de Compatibilidad. Margen de Emisión: Relación entre el Límite de Inmunidad y el Limite de Emisión..

(19) 6. Para evaluar la Calidad de Suministro Eléctrico es importante realizar un análisis de los Niveles de Compatibilidad, Límite de Emisión y Límite de Inmunidad los cuales se encuentran relacionados de la siguiente forma:. Nivel de Compatibilidad. Normativas que definen la calidad de onda Distribuidoras: Controlando. Límite de Emisión. usuarios. que. a. los poseen. equipos con emisión de perturbaciones Límite de Inmunidad. Fabricantes de Equipos. 2.2 AMBIENTE ELECTROMAGNÉTICO Como se mencionó anteriormente (Figura 2.1) los elementos que intervienen en el fenómeno de Compatibilidad Electromagnética son Emisor, Receptor y Camino de Acoplamiento, este último se presenta de diferentes formas como son: Acoplamiento Conductivo Acoplamiento Radiado: Inductivo y Capacitivo Los acoplamientos son mecanismos o vías que hacen que las perturbaciones afecten a los equipos instalados. Acoplamiento Conductivo Este tipo de acoplamiento hace que las perturbaciones sean transmitidas por los conductores eléctricos los cuales unen las fuentes de emisión con los dispositivos de recepción..

(20) 7. Acoplamiento Radiado La propagación de las perturbaciones se transmite por el medio ambiente (aire), este tipo de acoplamiento se presenta de dos formas: inductivo y capacitivo. Inductivo Las corrientes variables en el tiempo al circular por un conductor eléctrico generan un campo magnético, el mismo que se irradia alrededor del mismo, produciendo una inducción de voltaje distorsionante en otros circuitos relativamente próximos.. Figura 2.4 Modelo inductivo: a) modelo de campo y b) circuito equivalente (2). Capacitivo Siempre existe una corriente parásita entre un circuito eléctrico y otro circuito cercano, cualquier diferencia de potencial variable entre estos dos circuitos generará una corriente eléctrica que circula de un circuito hacia otro, a través del aislante (el aire). El acoplamiento capacitivo se hace mayor si: -. Los dos circuitos se encuentran muy próximos.. -. La diferencia de voltaje entre los dos circuitos es grande..

(21) 8. - Las señales del circuito externo varían rápidamente en el tiempo.. Figura 2.5 Modelo capacitivo: a) modelo de campo y b) circuito equivalente (2). 2.3 PERTURBACIONES EN REDES ELÉCTRICAS En la actualidad, la calidad de la energía eléctrica y la contaminación hacia la red eléctrica con corrientes armónicas, ha llegado a tener gran interés debido a las perturbaciones que presenta la onda de voltaje que proporciona la red. Idealmente esta onda de voltaje es una sinusoidal pura con una frecuencia constante; sin embargo, en la realidad esto no sucede, ya que la onda de voltaje presenta perturbaciones como: ruidos, impulsos eléctricos, variaciones rápidas o lentas de voltaje, parpadeo (flicker), distorsión armónica y variaciones de frecuencia. Por tal razón una perturbación eléctrica es una señal eléctrica no deseada que puede llegar a degradar un dispositivo que forma parte de un sistema eléctrico, y que a la vez puede propagarse por medio de los conductores o del aire. Si en la red eléctrica el consumo eléctrico fuera nulo, ésta presentaría una onda de voltaje de buena calidad, la cual se vería perturbada ocasionalmente debido a fallas en los centros de generación, de distribución o debido a descargas atmosféricas. Sin embargo, cuando un número muy grande de usuarios se conecta a la red, la someten a un número muy grande de cargas eléctricas que aunque funcionen correctamente pueden alterar la onda de voltaje con caídas permanentes e inyección de corrientes armónicas..

(22) 9. Según Norma orma IEEE 1159 (1985)3 las perturbaciones se clasifican en: •. Incrementos breves de voltaje.. •. Variaciones de voltaje de larga duración.. •. Transitorios.. •. Muescas de voltaje. voltaje. •. Ruido.. Según Norma IEC 1000--2-1 (1990) las perturbaciones se clasifican en: •. Armónicos e interarmónicos nterarmónicos.. •. Fluctuaciones de voltaje.. •. Caídas e interrupciones nterrupciones breves de voltaje.. •. Desbalance de voltaje.. •. Transmisión de señales en la red. red. •. Variaciones de frecuencia. frecuencia. 2.3.1 ARMÓNICOS 2.3.1.1 Definición Actualmente, los sistemas eléctricos cuentan con una gran cantidad de elementos llamados no lineales, los mismos que a partir de ondas sinusoidales sinusoidale y a la frecuencia de la red, generan otras ondas con diferentes frecuencias, es decir, los armónicos rmónicos son corrientes y/o voltajess que presentan una un frecuencia que es múltiplo entero o de la frecuencia fundamental.. Figura 2.6 Onda con contenido armónico (4).

(23) 10. La frecuencia fundamental o primera armónica es una onda periódica que se presenta en el sistema eléctrico, cuando una onda periódica no tiene una forma sinusoidal se dice que tiene contenido armónico, lo cual puede alterar su valor pico y/o valor RMS causando alteraciones en el funcionamiento normal de los equipos que se encuentran sometidos a esta voltaje, fenómenos que generan problemas tanto para los usuarios como para la entidad encargada de la prestación del servicio de energía eléctrica ocasionando diversos efectos nocivos en los equipos de la red. Es importante mencionar, que los armónicos son subproductos de la electrónica moderna, y que se manifiestan especialmente donde hay un gran número de computadores, impresoras, motores de velocidad regulable, equipos médicos, ascensores y otros equipos que absorben corriente en forma de impulsos cortos. Estos equipos están diseñados para absorber corriente durante sólo una fracción controlada de la onda de voltaje de alimentación, provocando armónicos en la corriente de carga y, por ende, la distorsión de dicha onda de voltaje, además el sobrecalentamiento de transformadores y conductores de neutros y, en ocasiones, el disparo de interruptores automáticos. A continuación se presenta un análisis de los efectos más comunes provocados por las armónicas en los sistemas eléctricos. 2.3.1.2 Efectos En general, cualquier tipo de carga no lineal conectada al sistema eléctrico causará distorsión, con el incremento de cargas no lineales se ha llegado a tener problemas que no se tenían, a continuación se presenta un compendio de los efectos causados por los armónicos en los elementos que conforman un sistema eléctrico, es decir. Cables y Conductores Transformadores Interruptores Barras de neutros Banco de capacitores Motores de inducción Otros equipos.

(24) 11. 2.3.1.2.1 Cables y Conductores Las pérdidas en el cable están dadas por. I 2 R , lo que provoca un. calentamiento en los cables, conocido también como pérdidas por efecto Joule; en donde R es la resistencia del cable a corriente directa, ésta corriente será el producto de la densidad de corriente y el área transversal del conductor.. Figura 2.7. 11. Densidad de corriente en un mismo conducto (a) a corriente directa y (b) a corriente de alta frecuencia. A medida que la frecuencia del voltaje o corriente que circula por el conductor se incrementa, el área efectiva va disminuyendo, puesto que la densidad de corriente crece en la periferia exterior, lo cual se refleja en un aumento de la resistencia efectiva del conductor. La resistencia, unida a la circulación por el exterior provoca un aumento de la temperatura del cable, con el peligro de dañar el aislamiento del mismo y llegar, en ciertos casos, a generar un foco de incendio, en especial si el cable no está protegido contra el fuego. 2.3.1.2.2 Transformadores Un transformador está diseñado de tal forma que pueda disipar el calor producido por las pérdidas sin que se sobrecaliente ni deteriore su vida útil, lo que implica que debe operar con una temperatura no mayor a la especificada; la mayoría de transformadores están diseñados para operar a frecuencia 50 o 60 Hz. Las pérdidas que se producen en el transformador son: Pérdidas en el núcleo o en vacío Pérdidas con carga que incluyen las pérdidas I 2 R Pérdidas por corriente de Eddy y,.

(25) 12. Pérdidas adicionales en el tanque, sujetadores, u otras partes de hierro. De manera individual, el efecto de las armónicas en estas pérdidas se explica a continuación: Pérdidas en el núcleo o pérdidas en vacio: La forma de onda de voltaje en el primario es considerada sinusoidal independientemente de la corriente de carga, por lo que no se considera que aumenten para corrientes de carga no sinusoidales. Aunque la corriente de magnetización contiene armónicos, éstos son muy pequeños comparados con la corriente de carga, por lo que sus efectos en las pérdidas totales son mínimos. Pérdidas I 2 R .- si la corriente de carga contiene componentes armónicas, entonces estas pérdidas también aumentarán por el efecto piel. Pérdidas por corriente de Eddy.- estas pérdidas a frecuencia fundamental son proporcionales al cuadrado de la corriente de carga y al cuadrado de la frecuencia, razón por la cual se puede tener un aumento excesivo en los devanados que conducen corrientes de carga no sinusoidal. Estas pérdidas se pueden expresar como:. Pe = Pe , R. h = hm. ∑. ax. h =1.  Ih     IR . 2. * h. 2. (2.1). Donde: h = armónica Ih = corriente de la armónica h, [A] IR = corriente nominal, [A] Pe,R = pérdidas de Eddy a corriente y frecuencia nominal Pérdidas adicionales.- con el paso del tiempo el uso de cargas no lineales hace que los transformadores de factor K aparezcan para alimentar dichas cargas. Estos transformadores se encuentran diseñados para operar con bajas.

(26) 13. pérdidas en las frecuencias armónicas. El factor K es un indicador de la capacidad del transformador para soportar contenido armónico mientras se mantiene operando dentro de los límites de temperatura de su sistema de aislamiento, el cual incorpora: •. Sobredimensionamiento de los conductores primarios para soportar la circulación de corrientes armónicas reflejadas.. •. Las secciones del neutro y sus conexiones se dimensionan para una corriente del doble de magnitud de la corriente de línea.. •. El núcleo está diseñado para una menor densidad de flujo. Se emplea menor cantidad de material, pero de mejor calidad.. •. Se emplean varios conductores en paralelo con técnicas de interpolación y transposición como una forma de reducir las pérdidas por corrientes de Eddy en los conductores de los transformadores. •. Tienen una capacidad térmica especial.. 2.3.1.2.3 Sobrecalentamientos de los conductores neutros En un sistema trifásico equilibrado, con neutro distribuido, esto es, de cuatro conductores y con cargas lineales, la componente fundamental de la corriente, que recorre cada una de las tres fases, se anula en el conductor neutro debido a que estas corrientes están desfasadas 120° entre sí. Los conductores del neutro transportan las corrientes de secuencia positiva y negativa producidas por el desbalance entre las cargas mas las armónicas “triples”1 de secuencia cero generadas por éstas. En el caso de cargas no lineales, es recomendable que las barras de neutros tengan una capacidad de corriente igual al doble de las fases. En sistemas con muchas cargas monofásicas no lineales, la corriente del neutro puede, en la práctica, ser mayor que la corriente de cada una de las fases.. 1. El. peligro. que. se. presenta. en. estas. circunstancias. Armónicas cuya frecuencia es un múltiplo impar de tres de la corriente fundamental. es. un.

(27) 14. sobrecalentamiento excesivo del neutro, ya que no se dispone de un interruptor automático que limite la corriente, tal como ocurre con los conductores de fase. 2.3.1.2.4 Bancos de Capacitores En un circuito que alimenta cargas no lineales, el principal problema que conlleva instalar un banco de capacitores es la resonancia serie o paralelo que se puede presentar. A medida que aumenta la frecuencia, la reactancia inductiva del circuito equivalente del sistema aumenta, en tanto que la reactancia capacitiva de un banco de capacitores disminuye.. Figura 2.8. 11. Circuito que ejemplifican (a) resonancia paralelo y (b) resonancia serie. Resonancia Paralelo: En la Figura 2.8 (a) se representa este fenómeno donde las corrientes que inyecta la carga no lineal pueden ser analizadas por el teorema de superposición representadas por el siguiente circuito a distintas frecuencias:. Figura 2.9. 11. Circuito equivalente para el análisis del sistema a frecuencias armónicas.. La fuente de voltaje será diferente de cero cuando el circuito trabaje a frecuencia fundamental, tal como se muestra en la Figura 2.9 el voltaje Vh=0 (corto circuito), entonces a frecuencias armónicas el circuito equivalente visto.

(28) 15. por la carga es una inductancia y una capacitancia en paralelo lo cual puede significar una resonancia paralela cuando:. f = f 1*. Xc Xl. (2.2). Donde: f1 = frecuencia fundamental f = frecuencia de resonancia Si la carga inyecta una corriente armónica de una frecuencia igual o cercana a la frecuencia de resonancia paralela del sistema, entonces el voltaje experimenta una amplificación debido a que la admitancia equivalente se aproxima a cero (impedancia muy alta). Esto produce los problemas de calentamiento. inherentes. a. las. corrientes. armónicas. (en. cables,. transformadores, interruptores), la operación de fusibles, y el posible daño o envejecimiento prematuro de equipos. Resonancia Serie:. En la Figura 2.8 (b) se muestra este circuito, la expresión. matemática que representa a la frecuencia de resonancia será la misma que se tiene para la resonancia en paralelo con la diferencia que en este caso se tendrá una trayectoria de impedancia muy baja a las corrientes armónicas (casi corto circuito). Esta resonancia causará similares problemas a los que se mencionaron en la resonancia paralela. Una de las formas para minimizar esta resonancia, debido a la instalación de bancos de capacitores, es distribuir en diferentes puntos el sistema eléctrico este tipo de compensación, a fin de poder alejar la frecuencia de resonancia a valores más altos. 2.3.1.2.5 Motores de Inducción El uso regular de motores en instalaciones industriales y comerciales, ha provocado que estas máquinas sean una componente fundamental de la carga eléctrica que conforma el sistema eléctrico, por tal razón es importante.

(29) 16. comprender los efectos provocados en las máquinas de inducción cuando se alimenta con fuentes que contienen armónicas. Efectos de armónicos en motores de inducción: •. Aumento de pérdidas. •. Aumento de temperatura. •. Pérdidas de vida útil. •. Pérdidas de capacidad. •. Factor de potencia y eficiencia. Pérdidas 1.- Pérdidas I 2 R en el estator.- El aumento de las pérdidas por el efecto piel que incrementa el valor de la resistencia efectiva y el aumento del valor de la corriente de magnetización, son producidas cuando la máquina opera con una fuente de voltaje con contenido armónico. 2.- Pérdidas I 2 R en el rotor.- Aumentan significativamente debido al diseño de la jaula en los motores de inducción, que se basa en el aprovechamiento del efecto piel para el arranque, esta resistencia aumenta en forma proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia y por ende las pérdidas se incrementan. 3.- Pérdidas en el núcleo.- Estas pérdidas son función de la densidad de flujo en la máquina, éstas aumentan con el voltaje no sinusoidal puesto que se tiene densidad de flujo pico más elevado, sin embargo su aumento es menor que el de las pérdidas mencionadas anteriormente e incluso difíciles de cuantificar. 2.3.1.2.6 Otros Equipos A parte de los efectos mencionados se tienen efectos en equipos electrónicos susceptibles a los armónicos. En los equipos de medición donde el efecto de resonancia provoca altos voltajes armónicos, teniendo errores en las mediciones tanto positivo como negativo dependiendo de la armónica involucrada y el tipo de medidor..

(30) 17. 2.3.1.3 Elementos generadores de armónicas Las cargas no lineales son la principal fuente de emisión de armónicos. En las cargas residenciales y comerciales se encuentran instaladas una gran variedad de cargas no lineales que generan corrientes armónicas que por lo general son pequeñas pero muy numerosas. Ejemplos: computadores, aparatos de TV con fuentes conmutadas, lámparas de descarga gaseosa, motores, etc. Dentro del área industrial existe un gran número de dispositivos que distorsionan la operación de las redes eléctricas. Algunos de ellos han existido desde la formación de los sistemas de potencia, y otros son producto de la aplicación de dispositivos de electrónica de potencia utilizados para el control moderno de las redes eléctricas. Como ejemplo se puede mencionar: -. Horno de arco eléctrico. -. Convertidores de potencia. -. Rectificadores controlados y no contralados para la conversión de corriente alterna a corriente directa.. Realizando un breve análisis de los elementos más relevantes dentro de la generación de armónicas, se tienen: 2.3.1.3.1 Rectificadores Monofásicos Constituyen la principal fuente de distorsión de onda en los consumos domésticos, principalmente se encuentran a la entrada de los equipos electrónicos domésticos, equipos tales como: fuentes de alimentación conmutada en las computadoras, las reactancias electrónicas para alumbrado con lámparas fluorescentes, las cocinas de inducción y los reguladores de velocidad son fuentes que producen formas de onda de corriente severamente distorsionadas..

(31) 18. 2.3.1.3.2 Rectificadores Polifásicos También son causantes de distorsiones armónicas dentro del área industrial, el principal elemento son los variadores de velocidad de los motores, la potencia de equipos con este tipo de rectificadores suele ser superiores a los utilizados en el sector doméstico y la amplitud de los armónicos que inyectan en la red dependen de la impedancia del lado de alterna y del tipo de filtrado utilizado en el lado de continua (capacitivo, inductivo, o ambos). 2.3.1.3.3 Convertidores Alterna-Alterna Basados en el recorte de la onda de voltaje mediante tiristores o triacs se utilizan de forma extensiva en los compensadores estáticos de reactiva, en los arrancadores suaves de motores de inducción, y en los reguladores de lámparas incandescentes. 2.3.1.3.4 Hornos de Arco Tienen la característica de tener voltaje – corriente severamente no lineal. y. variable en el tiempo, en función del estado de fusión del material, del refinado y de la longitud del arco eléctrico dentro del horno. Un esquema de horno de arco eléctrico es mostrado en la Figura 2.10, estos equipos según sus características de diseño pueden fundir acero, minerales y en general material de desecho metálico y el método de fundición consiste en la producción de un arco de gran energía que permite fundir el acero.. 2. Figura 2.10 Hornos de arco eléctrico. 2. http://www.deltax.cl/PDF/FUENTES-DE-ARMONICAS.pdf.

(32) 19. Una combinación del retraso en la ignición del arco con las características altamente no lineales de la curva voltaje del arco vs corriente, introduce armónicas de la frecuencia fundamental. Adicionalmente, los cambios de voltaje ocasionados por alteraciones en la longitud del arco producen una gama de frecuencias, predominantemente de 0,1 a 30 kHz, este efecto se hace más evidente en la fase de la fundición, en la interacción de las fuerzas electromagnéticas entre los arcos. 2.3.1.3.5 Los Transformadores Estos equipos también forman parte de generación de armónicos de corriente debido a la característica no lineal de su núcleo ferro magnético, el circuito magnético de los transformadores posee una característica no lineal a partir del codo de saturación que puede distorsionar las ondas de voltaje y corriente. 2.3.1.3.6 Máquinas Rotativas Estos equipos también son generadores de armónicos pero de menor magnitud que los transformadores, de hecho los cambios periódicos de velocidad o carga realizados por estas máquinas, la saturación de la máquina, la disposición de los bobinados o de las ranuras, y a las imperfecciones en los polos de las máquinas síncronas son características que hacen que se generan corrientes armónicas. Si se toma el devanado trifásico de una máquina rotatoria, suponiendo un entrehierro constante y la ausencia de saturación del acero, en un análisis de Fourier de la distribución de la fuerzas magnetomotrices (f.m.m.) se observa que la f.m.m. fundamental es una onda viajera moviéndose en la dirección positiva, las armónicas triples están ausentes; y la quinta armónica es una onda viajera en la dirección negativa, la 7a. armónica viaja en la dirección positiva, etc. Como resultado del contenido armónico de la distribución de la f.m.m. se producen armónicas en el tiempo que son dependientes de la velocidad. Estas.

(33) 20. armónicas inducen una f.e.m. (fuerza electromotriz) en el estator a una frecuencia igual al cociente de la velocidad entre la longitud de onda. 2.3.1.4 Medición de Armónicos Las formas de ondas periódicas no sinusoidales requieren un análisis, para ello es útil el estudio de Series de Fourier para la representación de dichas ondas. El teorema de Fourier establece que cualquier función periódica de frecuencia angular w puede ser descompuesta en una suma de funciones sinusoidales de frecuencia múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. Esta función5 puede expresarse de la siguiente manera: ∞. f(t) = ao + ∑(an cosnwt + bn sennwt). (2.3). n=1. Donde: 1 a0 = 2π an =. 2π. ∫ f(wt)dwt 0. 2π. 1 f(wt)cos(n wt)dwt π ∫0. 1 bn = π. (2.4) (2.5). 2π. ∫ f(wt)sen(n wt)dwt. (2.6). 0. La misma función puede ser expresada en forma polar:. f(t) = a0 + ∑ A n sen(n wt + ϕn ). (2.7). Donde;. a0 → componente continua A n = an2 + bn2 → Amplitud de los armonicos ϕn = arctg. an → la fase inicial de cada armónico bn. En general es bastante difícil predecir problemas de armónicos sin realizar mediciones, dado que el flujo y las respuestas del sistema pueden variar sustancialmente de un sistema a otro con pequeñas desviaciones tales como tolerancias de los equipos, desbalances, etc..

(34) 21. Muchos problemas de armónicos pueden ser fácilmente resueltos reubicando equipos, instalando filtros, o limitando algunos pasos de la compensación del factor de potencia. Sin embargo, antes de llegar a una solución viable se deben identificar plenamente las distorsiones armónicas y sus fuentes, lo cual puede hacerse con base en modelos de flujo de armónicos o midiendo directamente en la instalación. THD distorsión armónica total de voltaje, proporciona una medida porcentual del contenido armónico respecto a la fundamental. h=∞. THDv =. ∑V h=2. V1. 2 h. =. V22 + V32 + V42 + ....... V1. (2.8). %. Donde: Vh es el valor de la componente armónica individual (rms). h es el orden de la armónica. V1: es el voltaje nominal fundamental del sistema (rms). T. V1 =. 1 v(t)2 dt ∫ T0. (2.9). V1 = V12 + V22 + ........ + Vn2. (2.10). Para el caso de una distorsión de corriente definida como TDD, distorsión total de demanda: h =∞. TDD =. ∑I h= 2 2 L. I. 2 h. (2.11) %. Donde: Ih es el valor de la componente armónica individual (rms). h es el orden de la armónica. IL corriente de carga de demanda máxima (rms)..

(35) 22. La medición de armónicos permite: -. Verificar el cumplimiento de los niveles de distorsión armónica establecidos en las normas, tanto en equipos como en la red, de tal manera de asegurar la calidad de servicio eléctrico.. -. Diagnosticar el nivel de armónicos presentes en la red para evaluarlos y orientarlos a su solución.. Para la elección adecuada de un equipo de medición se deberá considerar las características funcionales de cada uno y contar con la información necesaria del fenómeno a medir. 2.3.1.4.1 Puntos de Medición Debido que la propagación de armónicos depende de la topología de la red y de los elementos conectados a la misma, se realiza un estudio preliminar de armónicos, estableciendo así puntos de medición en las barras de interés, por tal motivo se tiene diferentes criterios, los cuales se mencionan a continuación. •. Barras con equipos electrónicos o cargas no lineales.. •. Barras con capacitores, cables o filtros.. •. Puntos de entrega de energía, alimentadores principales.. •. Seguridad y calidad de la medición.. La identificación de armónicos preferentemente se la realiza con las mediciones de voltaje y de corriente, ya que las cargas no lineales inyectan corrientes armónicas que de hecho afectaran al voltaje. En el punto elegido para el análisis de armónicos para una fase se mide: •. Distorsión armónica individual de voltaje y de corrientes.. •. Distorsión armónica total de voltaje THD.. •. Distorsión armónica total de corriente TDD.. •. Valores rms tanto de corriente como de voltaje.. •. Corrientes y distorsión por el neutro en caso de que exista..

(36) 23. 2.3.2 INTERARMÓNICOS En una red a más de tener armónicos se pueden presentar frecuencias que no son múltiplos enteros de la fundamental denominados interarmónicos. Básicamente existen dos mecanismos de generación de interarmónicos: •. Cambios bruscos de corriente en equipos originando también fluctuaciones de voltaje.. •. Conmutación asincrónica (con frecuencia no sincronizada con la red de suministro), de dispositivos semiconductores en convertidores estáticos.. Las fuentes de interarmónicos se las pueden encontrar en cualquier nivel de voltaje: baja, media y alta. Fuentes: convertidores estáticos de frecuencia, los motores asincrónicos, dispositivos de arco eléctrico, señales de comunicación y control usadas en la red de suministro. 2.3.2.1 Efectos de los Interarmónicos Entre los efectos directos más comunes de interarmónicos están las variaciones de la magnitud de voltaje eficaz y el flicker, así también: •. Efectos térmicos. •. Oscilaciones de baja frecuencia de sistemas mecánicos. •. Perturbaciones en equipos electrónicos y lámparas fluorescentes. •. Interferencia con señales de control y protección. en líneas de. suministro eléctrico •. Perturbación acústica. •. Saturación de los transformadores de corriente. 2.3.3 FLUCTUACIONES DE VOLTAJE Son producidas por variaciones periódicas o serie de cambios aleatorios producidas en el voltaje de la red eléctrica, cuya duración va desde los.

(37) 24. milisegundos hasta los diez segundos y cuya magnitud no excede el ±10 % del valor nominal. Las fluctuaciones se clasifican en cuatro tipos:. TIPO. DEFINICION. GRAFICA. Variaciones A. voltaje. de. en. forma. rectangular. con. Escalones. B. Conmutación cargas. resistivas. de que. se. presentan de forma. Conmutación. irregular. múltiples cargas. tiempo. de. monofásicas. período constante.. voltaje. Causas. en y. el. de. cuya. magnitud varía tanto en sentido positivo, como negativo. Cambios en el voltaje claramente separados que no C. siempre llevan aparejados escalones de. Originadas por acoplamiento de cargas no resistivas.. voltaje. Series de D. fluctuaciones. Cambios cíclicos o. esporádicas o. aleatorios de. repetitivas.. cargas.

(38) 25. 2.3.3.1 Fuentes de Fluctuaciones de Voltaje Los dispositivos principales que producen fluctuaciones de voltaje son los equipos industriales, tales como: •. Máquinas de soldadura de punto.. •. Arranque de motores. •. Energización de transformadores y bancos de capacitores. •. Hornos de arco. •. Plantas de soldadura por horno de arco. •. Operación de taps en transformadores. •. Operación de grandes motores con carga variable. 2.3.3.2 Efectos de las Fluctuaciones de Voltaje La mayor parte de consumidores de suministro de energía eléctrica se ven afectados por fluctuaciones de voltaje. El “flicker” es uno de los efectos más perjudiciales, ya que produce es una molestia visual por el parpadeo o variación de la intensidad luminosa de lámparas incandescentes, causando efecto en la vida útil del equipo, especialmente en los que usan capacitores. 2.3.4 CAÍDAS E INTERRUPCIONES BREVES DE VOLTAJE Una caída o hueco de voltaje es una reducción súbita del voltaje en un punto del sistema eléctrico seguido por una recuperación del mismo. El cambio de voltaje está determinado por dos variables: la amplitud y el tiempo de duración, la amplitud se encuentra definida por la diferencia entre el voltaje durante la disminución y el voltaje nominal; la reducción puede estar entre el 10 y 90 % del voltaje nominal. La duración se presenta en cortos periodos de tiempo, en un rango de medio ciclo a unos pocos segundos. Por otro lado, las interrupciones de voltaje se la definen como la desaparición parcial en un tiempo muy corto que no excede el minuto..

(39) 26. La siguiente gráfica interpreta estos dos efectos:. Figura 2.11 Caídas e Interrupciones de Voltaje. 7. 2.3.4.1 Fuentes y Efectos Fuentes: Las operaciones de conmutación que involucra grandes corrientes u operación de equipos de protección con desconexión temporal debido a fallas en el sistema. Efectos: •. Apagado de lámparas de descarga gaseosa.. •. Funcionamiento incorrecto de dispositivos de control y comando.. •. Variaciones de velocidad o parada de motores.. •. Disparo de contactores.. •. Fallas en conmutadores o equipos de medición.. •. Pérdidas de sincronismo en motores y generadores sincrónicos.. 2.3.5 DESBALANCE DE VOLTAJE En un sistema trifásico balanceado se tiene las tres fases con magnitud igual y desfasadas en 120°, un desbalance de voltaje es una condición del sistema donde las tres fases son distintas en magnitud y no están desfasadas en 120°, lo que provoca una circulación de corriente por el neutro del sistema. Un desbalance de voltaje se produce por varios motivos: -. En redes de bajo voltaje: cargas monofásicas mal distribuidas ente las tres fases..

(40) 27. -. En redes de medio y alto voltaje: Cargas monofásicas conectadas entre fase - fase o fase – neutro.. -. Componentes asimétricas en generación, transmisión y distribución.. Los efectos producidos por el desbalance del voltaje en el sistema son: -. Elevación de temperatura en motores de inducción, debido a corrientes desequilibras.. -. Disparo de equipos de protección.. -. En los conversores polifásicos, en el lado de la corriente continua causan rizado “ripple” no deseado, y en el lado de la corriente alterna causan armónicos no característicos.. 2.3.6 TRANSMISIONES DE SEÑALES EN LA RED Señales con frecuencia entre 110 Hz - 500 Hz son inyectadas en la red para transferir información desde un punto emisor a uno o más puntos receptores. Estas señales provocan variaciones en el valor eficaz del voltaje que pueden ser analizados como fluctuaciones de voltaje (flicker). Señales en el rango de radio frecuencia pueden causar perturbaciones conducidas o radiadas principalmente en receptores de radio y televisión. 2.3.7 VARIACIONES DE FRECUENCIA La frecuencia en un sistema eléctrico de potencia depende para cualquier instante del balance dinámico entre la capacidad de generación y la carga conectada (demanda); lo que provoca una disminución o aumento de frecuencia es la salida de grandes grupos de generación o de carga, por lo tanto la variaciones de frecuencia se presentan cuando en un sistema eléctrico de corriente alterna se produce una alteración del equilibrio entre carga y generación. En los márgenes normales de tolerancia, el principal efecto de las variaciones de frecuencia es el cambio en la velocidad de las máquinas rotativas,.

(41) 28. produciendo mayor o menor entrega de potencia, variaciones de la relación entre la velocidad y el torque en motores. Efectos en otros equipos tales como: -. Los filtros de armónicos sufren un efecto distorsionador.. -. Los equipos electrónicos que utilizan la frecuencia como referencia de tiempo se ven alterados.. -. Las turbinas de las centrales eléctricas se encuentran sometidas a fuertes vibraciones que suponen un severo esfuerzo de fatiga.. -. Posibles problemas en el funcionamiento de instalaciones de autogeneración.. 2.3.8 INCREMENTOS BREVES DE VOLTAJE (SWELLS) Es un incremento súbito del valor eficaz del voltaje en un punto del sistema eléctrico que algunas veces acompaña a las caídas de voltaje. Se caracteriza por el aumento de su magnitud entre 1,1 y 1,8 p.u. y el tiempo con una duración de medio ciclo a 1 minuto. Se puede presentar estos incrementos: -. Cuando en un sistema se presenta una falla, haciendo que las fases no falladas incremente su voltaje.. -. Después de un rechazo de carga o conexión de grandes bancos de capacitores.. Los incrementos provocan: -. Perturbaciones en controles eléctricos y dispositivos de motores eléctricos.. -. Sobrecargas en equipos de conmutación, provocando acortar su durabilidad.. 2.3.9 VARIACIONES DE VOLTAJE DE LARGA DURACIÓN. Son variaciones de voltaje donde el tiempo de duración sobrepasa el minuto..

(42) 29. Dependiendo de la causa de la variación a esta categoría pertenecen: -. LAS SOBREVOLTAJES VOLTAJES:: provocadas por la desconexión de grandes gran cargas o por variaciones en la compensación de potencia reactiva, con niveles de voltaje entre 1,1 – 1,2 p.u.. -. LAS SUBVOLTAJES VOLTAJES: provocadas por la conexión de grandes cargas o desconexión de bancos de capacitores con niveles de voltaje entre 0,8 – 0,9 p.u.. 2.3.10 TRANSITORIOS A diferencia de las caídas de voltaje (dips) o de incrementos de voltaje, los transitorios son de una duración más corta al tener variaciones de voltaje o de corriente. Se puedes clasificar en:. Transitorios Impulsivos y Transitorios Oscilantes. 2.3.10.1 Transitorios Impulsivos mpulsivos Son cambios repentinos de voltaje o corriente unidireccional en polaridad (o negativa o positiva), pueden ser cambios de crecimiento o decaimiento caracterizados por el tiempo. Las causas más frecuentes de estos transitorios transitorios son las descargas atmosféricas. Figura 2.1. 13. Transitorio Impulsivo.

(43) 30. 2.3.10.2 Transitorios Oscilatorios Un transitorio oscilatorio consiste en una señal de voltaje o corriente cuya polaridad de las muestras instantáneas cambia rápidamente. rápidamente. 8. Figura 2.2 Transitorio Oscilante. Se clasifican en transitorio de baja, media y alta frecuencia: -. De baja frecuencia son localizados locali en sub-transmisión transmisión y distribución, causados por varios tipos de eventos como energización de banco de capacitores o por condiciones de ferro resonancia.( f < 5 kHz y duración [0,3 3 a 50 ms] ). -. De media frecuencia pueden ocurrir cuando un capacitor es energizado en proximidad de otro en servicio. ( 5 < f < 500 kHz y duración [decenas [decena de microseg] ). -. De alta frecuencia son siempre producidos por eventos de conmutación, también resultan de la respuesta local del sistema a transitorios impulsivos.( impulsi f > 500 kHz y duración [microseg] ). 2.3.11 MUESCAS DE VOLTAJE (NOTCHES) Conmutación entre los voltajes de un sistema trifásico u otro disturbio en la onda de voltaje de duración menor a medio ciclo, e inicialmente de polaridad contraria al de la onda de voltaje..

(44) 31. 8. Figura 2.3 Muescas de Voltaje. Causadas por la operación normal de los dispositivos de electrónica de potencia, cuando la corriente es conmutada de una fase a otra. Como ocurren continuamente, son caracterizadas por el espectro armónico de voltaje afectado,, generalmente son tratado como un caso especial ya que los componentes de frecuencia asociados a ellas pueden ser tan altos que no son fácilmente detectados por los los equipos de medición normalmente utilizados para el análisis armónico. Las muescas de voltaje causan fallas en las computadoras,, impresoras láser y mal funcionamiento de algunos equipos electrónicos. La eliminación de las muescas de voltaje implica el aislamiento lamiento de los equipos sensibles de la fuente que las está produciendo. La inserción de reactancias inductivas también puede servir como solución, para mitigar el efecto de las muescas.. 2.4 CONTROL DE ARMÓNICOS ARMÓ Las posibles soluciones al problema de armónicos se clasifican en: -. Soluciones de carácter. preventivo: evitar que se creen emisión de. armónicos y sus consecuencias. -. Soluciones de carácter correctivo: reducción del problema de armónicos que ya estén presentes en la red. -. Otras soluciones: como la utilización utilización de transformadores de factor K, aumento de la sección del conductor del neutro y otras.. Cabe. mencionar. que. las. soluciones. que. sobredimensionamientos son soluciones a corto cort plazo.. se. realizan. por.

(45) 32. 2.4.1 FILTROS ARMÓNICOS La utilización de filtros no siempre resulta una solución económica o factible, ya que depende mucho del problema que se esté analizando. Los filtros son la combinación de capacitores, inductancias y resistencias que están configuradas para reducir las corrientes armónicas y presentar una impedancia mínima a la corriente de frecuencia fundamental. Para la instalación de un filtro se debe tomar en cuenta: •. El orden y la magnitud de los armónicos a mitigar. •. Examinar las condiciones de resonancia. Con esta información se puede diseñar los filtros para armónicos específicos controlados independientemente, para evitar resonancia con los filtros de frecuencias altas. 2.4.1.1 Filtros Pasivos Constituido por elementos pasivos tales como condensadores, inductancias y resistencias, los cuales se conectan para atenuar el flujo por ellos (filtro Serie) o para desviar o cortocircuitar el flujo de armónicos a través de ellos (filtro Shunt). 2.4.1.1.1 Filtro Pasivo Serie Se conectan en serie con la caga no lineal, lo cual produce una impedancia alta al flujo de armónicos entre los mismos, sintonizando la frecuencia presente en los armónicos; este tipo de filtros no interfieren en el sistema de potencia por lo tanto no introduce ninguna resonancia extraña al circuito. Estos filtros constan de un inductor y un capacitor conectados en paralelo los cuales se conectan en serie con la parte de red que se desea proteger.. Figura 2.12. 18. Filtro pasivo serie.

(46) 33. 2.4.1.1.2 Filtros Pasivo Shunt. Su denominación se debe a la conexión en paralelo del circuito con la carga no lineal.. Figura 2.13. 17. Circuito monofásico con la implementación de un filtro pasivo shunt. La estructura de un filtro pasivo shunt consta de un elemento elemento inductivo y un elemento capacitivo conectados en serie, tal como se muestra en la Figura 2.14. Figura 2.14 Filtro Pasivo Shunt. El filtro shunt presenta en sus terminales una impedancia ZF, dada por la siguiente ecuación: (2.12) Como el objetivo del filtro shunt es servir de camino para que las señales armónicas se descarguen hacia tierra, por lo tanto ZF=0 (2.13) A partir de aquí se llega a la ecuación para obtener la frecuencia que hará resonar al filtro, en este caso el circuito LC serie presenta una resistencia mínima en sus terminales. terminales.

(47) 34. (2.14) Para disminuir la perturbación de varias componentes armónicas se debe utilizar varias ramas, cada rama del filtro pasivo se debe sintonizar a una frecuencia de las corrientes armónicas que conforman la perturbación, de esta forma la rama presentará un camino de mínima impedancia para que la corriente armónica sea descargada hacia tierra, así la configuración del filtro shunt paralelo evita que las señales de perturbación viajen por el sistema de potencia. 2.4.1.2 Filtros Activos Son elementos de electrónica de potencia, que trabajan usando un convertidor de potencia conectado en paralelo para producir corrientes armónicas iguales a las que se encuentran en la corriente de carga, asegurando que su trayectoria sea la de sacar las corrientes armónicas fuera de la trayectoria del sistema de potencia. En comparación con los filtros pasivos estos han tenido una mayor aplicación ya que se evita el efecto de resonancia con la instalación de los mismos pero tiene la desventaja de ser más caros y que consumen potencia en cantidades significativas, creando además niveles altos de interferencia electromagnética. El propósito de los filtros activos es solucionar dos problemas: a) Cargas no lineales que consumen corrientes no sinusoidales (parte superior de la Figura 2.15) b) Distorsión de la onda de voltaje en los puntos de conexión de los equipos (parte inferior de la Figura 2.15).

(48) 35. 8. Figura 2.15 Filtro Activo de Potencia. Para conseguir los dos objetivos anteriores, se pueden utilizar distintas topologías de filtros, por lo que es necesario realizar una clasificación para su estudio. 2.4.1.2.1 Filtros Activos Serie La denominación de este tipo de filtro se origina debido a la conexión en serie con la carga no lineal, filtros que son utilizados izados básicamente para reducir la distorsión de voltaje en la carga, garantizando el suministro sinusoidal para la carga.. 8. Figura 2.16 Filtro Activo Serie. 8. Figura 2.17 Aplicación de un filtro activo serie.

(49) 36. 2.4.1.2.2 Filtros Activos Paralelo De igual forma que el filtro activo serie, la denominación de este tipo de filtro es debido a la conexión en paralelo con la carga no lineal, su utilización se basa en la reducción de la distorsión de corriente en el punto donde se conecta el filtro.. 8. Figura 2.18 Filtro Activo Paralelo. 8. Figura 2.19 Aplicación de un filtro activo paralelo.

(50) 37. CAPÍTULO 3: METODOLOGÍA PROPUESTA PARA EL DIAGNÓSTICO DEL CONTENIDO ARMÓNICO EN SISTEMAS DE POTENCIA 3.1 SISTEMA NACIONAL INTERCONECTADO ECUATORIANO Para el buen funcionamiento del país, el sector energético constituye uno de los pilares fundamentales y la energía eléctrica un insumo básico para los hogares, la agricultura, la industria, el comercio, etc. El Sistema Nacional Interconectado (S.N.I.) del Ecuador está conformado en la actualidad por 31 empresas eléctricas Generadoras, 1 Transmisora, 17 Autoproductoras y 20 Distribuidoras (10 agrupadas en CNEL y 10 independientes); asimismo, se han aprobado a 60 Grandes Consumidores. El Sistema Nacional Interconectado es el sistema eléctrico de potencia que permite la conexión de los centros generación eléctrica con los centros de consumo, y comprende plantas de generación, líneas de transmisión y redes de distribución conectados entre sí, permitiendo así la producción y transferencia de energía eléctrica, con la finalidad de prestar el servicio público del suministro de energía.. 3.2 MODELACIÓN DEL S.N.I. Para las actividades de planificación, diseño y análisis de la operación de los sistemas de potencia, se requieren estudios con el fin de evaluar el desempeño del sistema existente. Hoy en día la complejidad de los sistemas eléctricos de potencia implica la necesidad de implementar procesos de análisis manejables con soluciones versátiles y ágiles, solo posibles gracias al avance tecnológico en el desarrollado de herramientas computacionales, mismas que fortalecen y ayudan al manejo de simulaciones eléctricas, facilitando el estudio del comportamiento eléctrico del sistema. DIgSILENT Power Factory 13.2, es uno de los programas que se utiliza en el área eléctrica, el cual permite realizar estudios como:.

(51) 38. -. Interface con sistemas GIS y SCADA.. -. Flujos de potencia.. -. Despacho de potencia activa y reactiva.. -. Estimación de estado.. -. Análisis de fallas conforme a la norma IEC 909.. -. VDE 102/103, ANSI C37.. -. Lenguaje de Programación (DPL).. -. Protección de sobre corriente y distancia.. -. Flujos armónicos, barrido de frecuencia.. -. Dimensionamiento de filtros.. -. Estabilidad (transitoria y dinámica).. -. Análisis de pequeñas señales.. -. Estabilidad de voltaje.. -. Confiabilidad.. 3.2.1 CREACIÓN DE LA BASE DE DATOS Tomando como base el Sistema Nacional Interconectado 2009 y considerando el escenario de estiaje en condiciones de demanda máxima, media y mínima (ANEXO 1), se realiza la modelación en las barras de entrega de energía eléctrica del SNI mediante la utilización del software DIgSILENT Power Factory 13.2, con el objetivo de realizar simulaciones y análisis de armónicos. 3.2.1.1 Creación de un Proyecto y Redes del Sistema Una vez que se ingresa al programa DIgSILENT Power Factory 13.2 se crea un usuario con el nombre TESIS como se presenta en la Figura 3.1, para luego realizar los procedimientos que se describen a continuación, a fin de crear un proyecto y sus respectivas redes (diagramas unifilares).. Figura 3.1 Creación de Usuario.