Las Perturbaciones Que Afectan La CALIDAD de LA POTENCIA

I.E Joaquim Duarte Guatibonza Guatibonza

Calidad de Energía Eléctrica

PERTURBACIONES QUE AFECTAN LA CALIDAD DE ENERGIA ELECTRICA Las perturbaciones que afectan la CALIDAD DE LA ENERGIA ELÉCTRICA son generadas por las condiciones de operación del sistema de suministro así como por la naturaleza y características de operación del equipo del cliente. La variación de las características de la tensión puede causar degradación del comportamiento del equipo eléctrico, estos fenómenos son frecuentemente referidos como perturbaciones electromagnéticas. Fenómenos atmosféricos (rayos, viento, etc.) y condiciones ambientales (incluyendo polución, hecha por el hombre o de origen natural) son una fuente importante de algunas perturbaciones, esencialmente interrupciones de suministro y caídas de tensión. Otra fuente importante de perturbaciones es el equipo mismo del cliente. El diseño mismo del equipo, o su modo de operación, o ambos, pueden tener el efecto de inyectar perturbaciones hacia la red de distribución (tales como distorsión armónica, fluctuaciones de tensión, etc.). Los principales parámetros de la red, que pueden afectar la señal de tensión por algún tipo de perturbación son, según se define en la norma EN- 50.160, son las siguientes: a) Frecuencia b) Amplitud c) Forma de onda d) Simetría del sistema trifásico Todos ellos pueden verse afectados eN forma transitoria, es decir, sin ninguna cadencia de repetición determinada, o de forma periódica. Por otro lado la duración puede ser de fracciones de ciclo o de varios ciclos o incluso inc luso períodos de varios segundos o minutos. Perturbación es todo fenómeno que origine distorsiones transitorias de las ondas de tensión y corriente respecto a su forma y frecuencias permisibles. Estos fenómenos han sido clasificados en siete categorías según su contenido espectral típico, duración y magnitud según la guía IEEE 1159-1995, la cual los divide en siete grandes categorías: 1. Transitorios Electromagnéticos 2. Variaciones de Corta duración (SAGS y SWELL) 3. Variaciones de Larga Duración (INTERRUPCIONES, SUB Y SOBRETENSIONES) 4. Desbalances 5. Distorsión de la Forma de onda 6. Fluctuaciones de Tensión o FLICKER 7. Variaciones de la Frecuencia Industrial

Una fluctuación de tensión puede definirse como una serie de cambios, o una variación cíclica de la envolvente de la onda de tensión. Son variaciones sistemáticas de la envolvente de la onda de tensión así como también series de cambios aleatorios.

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EFECTOS DE LAS PERTURBACIONES EN LA CALIDAD DE ENERGÍA ELÉCTRICA

De acuerdo con lo descrito anteriormente en donde se definen las siete categorías que caracterizan las perturbaciones, a continuación se describen los efectos observados de estos fenómenos en el funcionamiento de varios tipos de equipos. Las perturbaciones reciben distintos nombres que ilustraremos continuación. Interrupciones

El efecto de una interrupción sostenida es la salida de operación del equipo, salvo en las cargas protegidas por los sistemas de UPS (Uninterruptible Power Supply) u otras formas de dispositivos de almacenamiento de energía. Incluso las interrupciones instantáneas pueden afectar equipos electrónicos y de iluminación, causando mala operación o falla. El equipo electrónico incluye controladores electrónicos y de potencia, computadores, y los mandos electrónicos de maquinaria rodante.

ONDA DONDE SE MUESTRA UNA INTERRUPCIÓN

Las interrupciones momentáneas y temporales casi siempre causarán parada del equipo, y también puede causar caída de los contactores de los motores de inducción. En algunos casos, las interrupciones pueden dañar el equipo de arranque suave electrónico, y desprogramar PLC´s. Transitorios

Tensiones transitorias causadas por descargas atmosféricas o por operaciones de suicheo pueden producir degradación o falla inmediata del aislamiento en todas las clases de equipo. La alta magnitud y el rápido tiempo de elevación contribuye a la ruptura del aislamiento en el equipo eléctrico tales como maquinaria rotatoria, transformadores, condensadores, cables, transformadores de Tensión y de Corriente y demás dispositivos de la subestación. Aplicaciones repetidas de transitorios a estos tipos de equipos produce degradación lenta y eventual falla del aislamiento, así como decrece la característica del tiempo medio entre fallas del equipo (Mean Time Between Failures - MTBF)

ONDA DONDE SE MUESTRA UN TRANSITORIO

En equipos electrónicos, fallas en los componentes de las fuentes de potencia pueden resultar de un transitorio de relativamente baja magnitud. Los transitorios también pueden causar disparos molestos de los Variadores de velocidad ajustables. Debido a los circuitos del enlace DC de la protección de sobretensión. 2



Los transitorios son causados, en las redes eléctricas, por la conexión de condensadores o el aislamiento de un defecto por un fusible o por un interruptor automático rápido en B.T. (baja tensión), o incluso por las muescas ( notches en ingles) producidas por las conmutaciones de convertidores polifásicos. Toda tensión aplicada a un equipo cuyo valor de cresta o pico, sobrepasa los límites de un intervalo definido por una norma o una especificación se considera una sobretensión. Las sobretensiones son de tres tipos: • Temporales, a frecuencia industrial, • De maniobra, • De origen atmosférico (rayo). Variaciones de tensión de corta duración

El problema más prevaleciente asociado con las interrupciones, las variaciones de tensión (subidas y bajadas) de corta duración, es la parada del equipo. En muchas industrias con cargas de proceso críticas, incluso los fenómenos instantáneos de corta duración pueden causar paradas del proceso que requieren horas para reiniciar. Caídas de tensión de corta duración (Sags)

Los Sags o también llamados “Huecos de tensión” son una baja súbita de la tensión en un punto de una red de energía eléctrica hasta un valor comprendido (por convenio) entre el 90% y el 1% según la Normativa (IEC 61000-2-1), o entre el 90% y el 10% según el Std. IEEE 1159-1995 de una tensión de referencia (Vref), seguida de un restablecimiento de la tensión de red después de un corto lapso de tiempo comprendido entre un semiciclo (ó medio ciclo) de la fundamental de la tensión de la red (8,33 ms a 60 Hz) y un minuto. Estos eventos en particular causan numerosas paradas del proceso. A menudo, la caída de tensión es detectada por los controladores electrónicos del proceso equipados con circuitos de detección de fallas, el cual inicia parada de otras cargas menos sensibles. Una solución común a este problema es alimentar al controlador electrónico con un transformador de Tensión constante u otro dispositivo de mitigación, para proporcionar la tensión adecuada al controlador durante una caída de tensión.

ONDA DONDE SE NUESTRA UN SAG

Los dispositivos electrónicos que cuentan con batería de respaldo no deben ser afectados por las reducciones de tensión de corta duración. Los equipos tales como los transformadores, cables, barrajes, Transformadores de tensión y corriente y demás dispositivos de la subestación, no deben incurrir en daño o mala operación debido a caídas de tensión de corta duración. Un ligero cambio de velocidad en maquinas de inducción y una ligera reducción en la salida de un banco de condensadores puede ocurrir durante una caída de tensión de corta duración. La salida de luz visible de algunos dispositivos de iluminación puede ser reducida durante una caída de tensión de corta duración.

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Por la experiencia en mediciones en campo en Colombia por parte de Firmas Consultoras así como por empresas de Energía, actualmente los SAGS son los fenómenos más frecuentes que están sucediendo y los que más efectos nocivos en la producción están causando en los clientes Elevaciones de tensión de corta duración (swell)

Un aumento en la Tensión aplicada al equipo sobre su valor nominal puede causar falla de los componentes dependiendo de la frecuencia de ocurrencia. Los dispositivos electrónicos, incluyendo los variadores de velocidad ajustables, computadores, cables, barrajes, Transformadores de tensión y corriente así como maquinaria rodante pueden ver reducida su vida útil con el tiempo. Un incremento temporal en la tensión en algunos relés de protección puede resultar en operaciones no deseadas, mientras que otros relés no se ven afectados.

ONDA DONDE SE NUESTRA UNA SWELL

La luz visible de algunos dispositivos de iluminación puede ser incrementada durante una elevación de tensión de corta duración. Algunos dispositivos de protección (como por ejemplo varistores o diodos de avalancha de silicio) pueden ser destruidos por elevaciones de tensión de corta duración que exceden su valor de Máxima tensión de operación continúa. Variaciones de tensión de larga duración

Las variaciones en Tensión del suministro que duran más de 1 minuto pueden causar los problemas al equipo. Problemas de sub. y sobre Tensiones son menos probables de ocurrencia en los alimentadores de la red. Puesto que muchas empresas suministradoras de energía se esfuerzan por mantener las variaciones de tensión dentro de los rangos de la norma (+ 5% y – 10 % para Colombia, según NTC 1340 para niveles de tensión 1, 2 y 3). Sin embargo problemas de sub. y sobre Tensiones pueden ocurrir, debido a sobrecargas en los alimentadores, ajustes incorrectos en los cambiadores de tomas (taps) de los transformadores, disparos de fusibles en los bancos del condensadores, y operación de condensadores durante las condiciones de baja carga. Las interrupciones sostenidas pueden ser el resultado de una variedad de causas, mientras incluyendo disparo de interruptores, disparo de fusibles y salidas del alimentador de la red, así como fallas de los componentes de los circuitos. a.- Subtensiones

Subtensiones de más de 1 minuto también pueden causar funcionamiento defectuoso del equipo. Los controladores de motores pueden salir de operación durante las condiciones del subtensión. La Tensión mínima de sostenimiento de controladores de motores es típicamente por debajo de un 70-80% de la Tensión nominal. Las Subtensiones de larga duración causan un incremento en las pérdidas de calentamiento de los motores de inducción debido al aumento en la corriente.

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Los cambios de velocidad son posibles para la maquinaria de inducción durante las condiciones de subtensión .Los dispositivos electrónicos como los computadores y los controladores electrónicos pueden dejar de operar durante esta condición. Condiciones de subtensión en bancos de condensadores pueden resultar en una reducción de la potencia de salida del banco, por una disminución en la tensión a una relación proporcional al cuadrado de la tensión. Generalmente, el la subtensión no causa problemas en los transformadores, cables, barrajes, Transformadores de tensión y corriente así como en dispositivos de medida y transductores. La salida de luz visible de algunos dispositivos de iluminación puede ser reducida durante una subtensión. b. - Sobretensiones

Las Sobretensiones pueden causar la falla del equipo. Los dispositivos de Electrónicos pueden experimentar falla inmediata durante las condiciones de la Sobretensión; sin embargo, los transformadores, los cables, los barrajes, los Transformadores de tensión y corriente así como las maquinas rotativas generalmente no muestran falla inmediata .La sobretensión sostenida en los dispositivos indicados pueden producir pérdida de vida útil de los equipos. Una condición de Sobretensión en algunos relés de protección puede producir operaciones no deseadas mientras que otros relés no se afectarán. Una señal de existencia de continuas sobretensiones en un banco de condensadores es la protuberancia del tanque condensador. Su potencia de salida también será incrementada por un aumento en la tensión a una relación proporcional al cuadrado de la tensión, durante la condición de sobretensión. También la luz visible de algunos dispositivos de iluminación puede ser incrementada durante las condiciones de sobretensión. Desequilibrio de Tensiones

En general, la Tensión de suministro de la red pública (Operador de Red) se mantiene a un nivel relativamente bajo de desequilibrio de las fases, sin embargo aún un nivel bajo de desequilibrio puede causar un rizado significante en la fuente de potencia y los efectos de calentamiento en los equipos de generación, transmisión, y distribución. El desbalance de Tensión normalmente se presenta más en las cargas individuales del cliente debido a los desbalances de las cargas, sobre todo donde grandes cargas monofásicas son usadas. En estos casos, sobrecalentamiento de motores y transformadores del cliente pueden ocurrir prontamente si el desequilibrio no se corrige. Un Desbalance de corriente en los motores de inducción se afecta como resultado en el cubo del desequilibrio de Tensión aplicado a los terminales del motor. Así, un 3,5 % de desequilibrio en Tensión, resulta en un 25 % de calentamiento adicionado en el motor. Los efectos en otros tipos de equipo son mucho menos pronunciados, aunque el desequilibrio significante puede causar los problemas en de cargabilidad en equipo que lleven o conduzcan corriente como los ductos de barras. Los niveles deseables de desequilibrio son de menos del 1% a todos los niveles de tensión para reducir los posibles efectos de calentamiento en bajos niveles. Si existen desequilibrios de Tensión mayores del 2%, deben reducirse dónde sea posible, balanceando las cargas monofásicas. 5



Un desequilibrio de Tensión mayor que el 2% puede indicar un fusible fundido en una fase de un banco de condensadores trifásico. Un desequilibrio de Tensión mayor que el 5% puede ser causado por condiciones monofásicas durante las cuales una carga de un circuito monofásico es perdida o desenergizada. Se exigen a menudo los monitores de fase que protejan los motores trifásicos del los efectos adversos que produce perder una fase. Distorsión de la forma de Onda

Las inyecciones armónicas de corriente de las cargas del usuario en el sistema de la fuente de alimentación, puede causar la distorsión de la Tensión. Esta corriente armónica y distorsión de Tensión pueden causar sobrecalentamiento del equipo rodante, transformadores, y conductores eléctricos, fallas prematuras u operación de dispositivos de protección, así como condiciones de resonancia armónica en el sistema de Potencia eléctrico del usuario, deteriorando la operación y confiabilidad del sistema y los equipos.

ONDA QUE SE NUESTRA UNA DISTORSION ARMONICA

La distorsión de Tensión armónica en un sistema de distribución puede causar también bastantes problemas al equipo de un cliente. Los límites de distorsiones armónicas establecidos por las normas y recomendaciones pretenden establecer los valores máximos aceptables, con el fin de minimizar los riesgos y efectos de las distorsiones armónicas en la fuente y en los sistemas del usuario final. Fluctuaciones de Tensión FLICKER

Las fluctuaciones en la Tensión del suministro de la red pública son regularmente manifestadas en molestas variaciones de fuentes de iluminación incandescente y lámparas de descarga. Una disminución de Tensión súbita de menos de 0,5 % puede causar una reducción notable del nivel de iluminación de una lámpara incandescente y una reducción menos notable en el rendimiento de una lámpara de iluminación de descarga gaseosa.

ONDA DONDE SE NUESTRA UN FLICKER

Las fluctuaciones de Tensión de menos del 7% en la magnitud tienen un efecto pequeño en otros tipos de cargas del usuario. Variaciones de Frecuencia

En general, las empresas de energía mantienen control muy estricto de la frecuencia del sistema de potencia. Las variaciones ligeras en la frecuencia en un sistema eléctrico pueden causar el daño severo al generador y ejes de la turbina debido a los grandes torques desarrollados. Además, 6



caídas de Generadores en forma de cascada pueden resultar con pequeñas desviaciones de la frecuencia, puesto que los sistemas eléctricos son estrechamente conectados y operados en sincronismo. Las variaciones de frecuencia son más comunes en los sistemas que cuentan con equipo de generación propia del usuario. Sobrevelocidad del generador puede resultar en un incremento de la frecuencia en sistemas pequeños que operan independiente de fuentes de la empresa de energía.

ONDA DONDE SE NUESTRA UNA VARIACION DE FRECUENCIA

Errores de sincronización de frecuencia a veces pueden ocurrir en un alimentador de un usuario que tiene cargas de rectificadores grandes. Estas cargas pueden causar huecos (notching) de Tensión severos que producen eventos del varios cruces de la señal de tensión por cero en un ciclo, y excepcionalmente existen cargas electrónicas que cuentan los cruces por cero de la Tensión alterna para obtener la frecuencia. Mientras estos eventos se registran como errores por los controladores electrónicos, la frecuencia fundamental no ha cambiado. ALGUNAS SOLUCIONES PARA AFRONTAR PROBLEMAS EN LA CALIDAD DE LA ENERGÍA

Para realizar un control específico sobre cada uno de los eventos descritos, es de vital importancia contar con equipos de monitoreo que tengan la resolución y garanticen la precisión necesaria para conocer así, no solo el fenómeno que está afectando a los equipos, sino también su causa y en consecuencia su mas probable solución. Las soluciones que en ocasiones son mas elementales, se basan en el cambio de los equipos que hacen parte del problema; por ejemplo si el problema surge de cableados defectuosos, es necesario cambiar el calibre de los mismos; o si por otra parte la fuente del problema es un interruptor defectuoso o mal diseñado, seleccionado o instalado, es recomendable su cambio para evitar problemas futuros. En el mismo contexto cuando se comprueba que la causa de la perturbación es un equipo que hace parte vital de de la instalación, y además es su naturaleza técnica generar ciertas perturbaciones, es necesario disponer de equipos de filtrado, que eviten que las perturbaciones que el equipo genera llegue a otros aparatos sensibles a las mismas. Este es el caso claro de las distorsiones de la forma de onda generadas por electrónica de potencia, que son corregidas con la instalación de filtros par armónicos. En casos en los cuales la perturbación es causada por condiciones tanto internas como externas, tal como ocurre en el caso de los eventos transitorios, es indispensable contar con equipos que corrijan la perturbación de las dos naturalezas. Para esto se pueden implementar descargadores de sobretensión, y a la vez protección de tipo externo que disipe la influencia de descargas atmosféricas sobre las instalaciones como lo son los pararrayos . De esta manera el tratamiento que se le debe dar a las perturbaciones puede ser tan complejo como la cantidad de perturbaciones que se detecten o tan sencillo como corregir un cableado una conexión defectuosa. En Colombia con base en más de 1200 casos de estudio analizados y solucionados por la firma GENELEC LTDA (Bogotá) en Clientes Industriales y comerciales, se han logrado resultados 7



favorables en la mayoría de casos con aplicacio nes de sentido común relativamente sencillas, tales como: - Separaciones de neutros y tierras - Aumentos de calibres de conductores de neutro - Instalación de transformadores de aislamiento estrella triangulo tipo seco - Cambio de taps en transformadores - Cambios de impedancia en circuitos - Cambio de nivel de tensión - Eliminación de autotransformadores en cascada - Separación de circuitos de fuerza y control - Aislamiento de cargas sensibles - Cambio o retiro de empalmes inadecuados - Instalación de protecciones contra sobre tensiones internas y externas - Instalación de monitores de red eléctrica. - Adecuación del sistema de puesta a tierra (SPT) - Instalación de bobinas serie a variadores de velocidad - Instalación de arrancadores suaves para motores - Balanceo de cargas monofásicos - Utilización de rectificadores trifásicos en lugar de monofásicos - Relocalización de bancos de condensadores. En otros casos más complejos ha sido necesario utilizar soluciones mas especializadas y por en demás costosas, pero solo como una opción final luego de agotadas las anteriores. - Instalación de equipos Estabilizadores, Acondicionadores de línea, UPS´s, plantas de emergencia y sistemas de respaldo. - Instalación de filtros de rechazo de armónicos (filtros antirresonantes) - Instalación de filtros pasivos de armónicos - Instalación de filtros activos de armónicos - Instalación de nueva subestación - Remodelación de la instalación eléctrica - Transferencias estáticas y automáticas - Equipos de corrección de sags (Sag Ride Through). - Cambio de Motores y Variadores Articulo presentado por: ING. JAIRO HERNANDO FLECHAS VILLAMIL

Ingeniero Electricista de la Universidad Nacional de Colombia en 1980, con Especialización en Gerencia de Mantenimiento de la UIS en el 2001. Gerente de GENELECLTDA

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