Presentación_CHEC_1

Transitorios Electromagnéticos CHEC 25 DE AGOSTO DE 2011

Prof. Eduardo A. Cano Plata Prof. Armando Armando J. Ustariz Ustariz Farfán. [email protected] – [email protected] – [email protected] UNIVERSIDAD

NACIONAL DE COLOMBIA . SEDE MANIZALES

2

Temario •

•

•

•

Consideraciones generales Definiciones básicas Compatibilidad Compatibilida d electromagn electromagnética ética Tensión en estado transitorio Curva de susceptibilidad ITI. Normas Una revisión al modelado y simulación de sistemas bajo distorsión – Modelos simplificados de los transitorios – TRV – Doble frecuencia. – Carga atrapada. Ejemplos de simulación con ATP – Arran ue de motores. – Transitorios debidos a la operación operación de maniobra. – La sobrecompensa sobrecompensación. ción. Valorac ración de de lo los fe fenómenos es estudiados.

– – – – –

Copyright © 2011 Universidad Nacional de Colombia.

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Temario •

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•

Consideraciones generales Definiciones básicas Compatibilidad Compatibilida d electromagn electromagnética ética Tensión en estado transitorio Curva de susceptibilidad ITI. Normas Una revisión al modelado y simulación de sistemas bajo distorsión – Modelos simplificados de los transitorios – TRV – Doble frecuencia. – Carga atrapada. Ejemplos de simulación con ATP – Arran ue de motores. – Transitorios debidos a la operación operación de maniobra. – La sobrecompensa sobrecompensación. ción. Valorac ración de de lo los fe fenómenos es estudiados.

– – – – –


Consideraciones generales • El proyecto integral de energía • Procedimientos en la implementación de los diseños • Objetivos, beneficios y rentabilidad • Alcance • Definiciones asociadas con el tema de Calidad de Potencia. • Normas.


3

4

El proyecto integral de energía

Todo proyecto integral de energía en el siglo 21 debe ser concebido bajo el ambiente de CALIDAD DE POTENCIA, POTENCIA, con lo cual se asegura un un suministro suministro de de tensión con altos niveles de calidad y confiabilidad para el correcto funcionamiento de los equipos electrónicos, los cuales están manejando procesos críticos y de gran importancia para el buen funcionamiento y servicio al u u sociedad contemporánea.


5

Objetivos del Análisis •Verificación de los índices de calidad. • Soluciones a los problemas, • Diseño de filtros. • Puestas a tierra. • Apantallamiento, etc.

• Problemas relativos a los armónicos … ...

Procedimiento en la implementación de un diseño a m e l b o r p

Modelado

Análisis de Red Propuesta Copyright © 2011 Universidad Nacional de Colombia.

Índices

n ó i c u l o s

6

Marco conceptual: alcance • Calidad • ¿ Atributo o grado de excelencia?

• Energía • ¿Objeto o Proceso?

La calidad de la energía eléctrica vista como una serie de atributos de un objeto físico.


7

Marco conceptual: alcance

• Entendiendo la electricidad como un producto soportado por unos servicios, la palabra PRODUCTO representa atributos y con el vocablo SERVICIOS se entiende desde el punto de vista comercial. – Desagregación del sistema eléctrico eléctrico: • Servicio técnico. • Servicio comercial. • Atributos del producto.


Marco conceptual : A. Servicios técnicos asociados con el producto.

1. Planificación de la operación: – Seguridad del suministro. – Confiabilidad del suministro. – Estabilidad de tensión de la red. – Estabilidad angular del sistema. – Control frecuencia - potencia. 2. Explotación del sistema: – Supervisión, monitoreo y control de la operación. – Mantenimiento (preventivo y correctivo).


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Marco conceptual : B. Servicios comerciales asociados con el producto.

1. Gestión de la demanda: – Megavatios instalados contra servicios energéticos prestados. – Ecología contra megavatios instalados. 2. Automatización de la red: –


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Marco conceptual : C. Atributos técnicos del producto:

1. Régimen transitorio: • Fluctuaciones acíclicas de tensión – Rápidas – Lentas • Interrupciones forzadas – Muy corta duración – corta duración – Larga duración

2. Régimen estacionario: • • • • • •

Regulación de tensión Regulación de frecuencia Desequilibrio de tensiones de fase Fluctuaciones cíclicas de tensión( Flicker). Interrupciones programadas Nivel de distorsión armónica.


10

11

Marco conceptual :

SEPARACIÓN DE NEGOCIOS 100%

Desintegración Horizontal: Menor Tamaño de las , <25%

Distribución

Desintegración Vertical: Separación de Negocios

Comercialización Transmisión Generación


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Definiciones :

•

Es una variación en la frecuencia de la tensión de alimentación con una duración suficiente como para percibir un cambio en la intensidad luminosa en lámparas incandescentes ordinarias (frecuencias del orden de 15-30 Hz)

Flicker:

Flicker Horno de tensión - simulación ATP 3 00

2 00

1 00

0

-100

-200

-300 0

0.0 2

0 .0 4

0 .0 6

0 .0 8

0 .1

0 .12

0 .1 4


0 .1 6

13

Definiciones : •

Armónico:

Es una componente senoidal de una onda periódica con una frecuencia que es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental.

• Interrupción: Es la pérdida completa de tensión durante un período de tiempo • Disturbios momentáneos: Es cualquier variación en el nivel de tensión de estado estacionario que alimenta a los equipos del usuario.


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Definiciones : El ruido eléctrico es una señal eléctrica indeseable, que produce efectos impredecibles en los equipos susceptibles. • Sobretensión: Es un incremento en el valor eficaz de la tensión sobre el nivel permitido a frecuencia industrial con una duración mayor a 2 minutos. •

Ruido:

–

tensión (RMS) por debajo de lo permitido a frecuencia industrial con una duración mayor a medio ciclo pero menor a 2 minutos.


15 C

a

i d

a

d

e

T

e

t e

n

s

ió

n

S

A

G

o

D

I P

S

1 0

. 5

- 0

. 5

0

- 1 0

2

0

4

0

6 n

0 s

8 ió

n

n

o

m

0 i n

a

1

0

0

1

2

0

1

4

0

1

0

0

1

2

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1

4

0

l

1 0

. 5

- 0

. 5

0

- 1 0

2

0

4

0

6

0

8

0

Elevación de tensión (SWELL):

Un incremento en la tensión eficaz por encima de lo permitido a frecuencia , unos pocos segundos. E le v a c ió n d e t e n s ió n S W E L L 2 1 0 -1 -2 0

2 0

4 0

6 0 T e n s ió n

8 0

1 0 0

1 2 0

1 4 0

1 0 0

1 2 0

1 4 0

n o m in a l

1 0 .5 0 -0 .5 -1 0

2 0

4 0

6 0

8 0


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•Transitorio: Es un evento de alta frecuencia sobrepuesto a la señal de corriente alterna (CA). La duración es por lo general inferior a medio ciclo, puede ser aditivo o sustractivo y oscilatoriamente disminuye su amplitud. •Baja Tensión: Una tensión eficaz por debajo de lo permitido a frecuencia industrial de duración mayor a 2 minutos. •Interarmónico: Es una componente senoidal cuya frecuencia no es un múltiplo entero de la frecuencia industrial. •Ranura de tensión:Es un disturbio en la onda de tensión causado por el normal funcionamiento de los puentes rectificadores. Copyright © 2011 Universidad Nacional de Colombia.

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Continuidad: interrupción

Distribución red radial Elemento del alimentador: •Longitud •Tasa de fallos

AA

Camino único entre la carga y la fuente

Carga: - kVA - nº clientes Copyright © 2011 Universidad Nacional de Colombia.

18

Continuidad: interrupción 

Redes formadas por:  líneas, transformadores, seccionadores, etc..



Cada elemento tiene una tasa de fallos  un elemento puede fallar por muchos motivos



El fallo de un elemento conlleva:  despeje de falla  reparación de la falla  reposición del suministro  Interrupción del suministro


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Calidad de la onda: Caso ideal

Es la presencia de una onda senoidal pura de tensión y corriente en todos los puntos del sistema eléctrico

1 0 .8 . 0 .4 0 .2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0

0 .0 1

0 .0 2

0 .0 3


0 .0 4

0 .0 5

20

Calidad de onda: Definiciones

Compatibilidad Electromagnética (CEM):

Es la aptitud de un dispositivo, de un aparato o de un sistema para funcionar en su entorno electromagnético de manera satisfactoria y sin producir él mismo, perturbaciones electromagnéticas intolerables para todo lo que se encuentre en su entorno (IEC 61000-2-1). Emisión A Señal conducida A

N Ó I C A B R U T R E P E D L E V I N

B

Susceptibilidad B

Entorno Electromagnético NIVEL DE INMUNIDAD LÍMITE DE INMUNIDAD Margen de inmunidad

NIVEL DE COMPATIBILIDAD

Margen de emisión

LÍMITE DE EMISIÓN NIVEL DE EMISIÓN VARIABLE INDEPENDIENTE


Margen de compatibilidad

21

CEM

Existencia de un canal de acoplo ⇔ ruido. El acople al ruido puede ser por radiación, por inducción ó de tipo capacitivo (electrostático). Estudio a través de los campos electromagnéticos. Particularmente se resuelve la ecuación de difusión, evaluando las condiciones de contorno .


22

Curva de susceptibilidad de computadoras ITI (antigua CBEMA)


23

Calidad de onda: Normas �� ��  ��  ��  ��  �� �� ��  ��  �� �� � ������ � �� � �� �� ��� �� ��� ������ ���  �� �

Organismos internacionales CEI – IEC IEEE

Normativas que define la calidad de onda

Com añías distribuidoras

Fabricantes de e ui os

Control de usuarios con equipos perturbadores

Calidad de productos. Ensayos de verificación

Función de probabilidad Nivel de perturbación en el sistema Nivel de inmunidad de los equipos

"Límite de emisión“ Equipos perturbadores

"Límite de inmunidad" Niveles de planificación (Objetivos de calidad internos en las compañías)

"Nivel de CEM"


Nivel de perturbación

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Calidad de onda: Normas

Estrategias de coordinación del nivel de CEM Comités de coordinación

Comités de producto

distribuidoras

Ingenieros consultores

Los comités de coordinación definen los niveles de CEM (normativas internacionales) Los comités de productos establecen condiciones de susceptibilidad para equipos que son asegurados por los fabricantes Copyright © 2011 Universidad Nacional de Colombia.

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Calidad de onda: Normas Tipos de Perturbaciones

Baja Frecuencia (BF) Rango de frecuencias Forma de propagación Medio de propagación Duración

Alta Frecuencia (AF)

0
f>1MHz

Por conducción

Por Radiación

Cables Transitoria y Permanente


Aire Transitoria y Permanente

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Por dónde empezar PARAMETROS QUE DEFINEN LA ONDA DE TENSION

PERTURBACIONES QUE LES AFECTAN

FRECUENCIA

VARIACIONES DE FRECUENCIA

SIMETRIA DEL SISTEMA TRIFASICO

ASIMETRIAS Y DESEQUILIBRIOS

LENTAS AMPLITUD

VARIACIONES DE AMPLITUD

RAPIDAS HUECOS DE TENSION E INTERRUPCIONES BREVES IMPULSOS

FORMA DE ONDA

DEFORMACIONES DE LA FORMA DE ONDA (DISTORSION ARMONICA)


27

Problemas en el usuario: 

Perturbaciones



Transitorios Huecos de tensión (Sags o Dips)





Elevaciones de tensión (Swells) Interrupciones



Variaciones en estado estacionario



Regulación de tensión



Distorsión armónica Flicker






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Calidad de onda: Interrupciones sostenidas

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8

Tensión eficaz menor al 10% de su valor nominal

-1


29

Interrupciones temporales

 Causas: Operaciones de maniobra para aislar fallos en el sistema, fallos o mal funcionamiento de equipos, descargas , , , atentados  Efectos: Pérdida de la alimentación de energía eléctrica  Soluciones: Puesta a tierra, limpieza de aisladores, utilización de UPS Copyright © 2011 Universidad Nacional de Colombia.

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Huecos de tensión (Sags o Dips ) 1 0.8

Decrecimiento del valor eficaz e a se a e tensión (0,1 < V < 0, 9)

0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16


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Huecos de tensión (Sags o Dips )

 Duración: Desde medio ciclo (10 ms) hasta un minuto  Causas: Fallas en el sistema de potencia, arranque de motores, cambios de carga ec os: ompu a ores, s, s s emas e control, VSD, robots, contactores, sistemas de iluminación, sistemas de protección, motores  Soluciones: Reguladores de tensión (Baterías UPS), transformadores ferro-resonantes.


32

Características de los huecos de tensión ) % ( Z A C I F E E J A T L O V

HUECO DE TENSIÓN

120 100 80

∆t

60

∆U

40 20 0

U H 0

100

200 300 TIEMPO (ms)

UH: Magnitud de la tensión del hueco ∆U: Caída de tensión del hueco ∆t: Duración del hueco


400

500

33

Características de los huecos de tensión 1 n ó i s n e T

0.5 0 -0.5 0

2

Punto de inicio

Tiempo en ciclos

6

Punto de recuperación

2

1.5

1.5

1

1 n ó i s n e T

4

θi

0.5

n ó i s n e T

0 -0.5

0.5 0

θr

-0.5

-1

-1

-1.5 -2

-1.5 0

100 200 300 Ángulo de la tensión en grados

0


100

200 Tiempo en grados

300

34

Causas de los huecos de tensión 

 

Fallas en los sistemas de potencia Descargas atmosféricas, cortocircuitos, contaminación de aisladores, contacto de animales o árboles, accidentes. Las fallas más comunes son las monofásicas (l-g) Las fallas mas severas las trifásicas l-l-l Arranque de grandes motores de inducción Cambios de carga


35

Causas de los huecos de tensión

Hueco de tensión: subestación ENEA – Manizales Colombia. 50000

HuecosSalt (Girona - España) Valor instantáneo

HuecosSalt (Girona - España) Valor eficaz

30000

40000 25000

] 20000 s t l o10000 V [ 0 n ó 0 5 9 3 8 2 1 4 8 1 4 8 1 5 8 2 5 9 2 5 9 2 6 i . . . . . 1 2 4 5 6 8 9 0 2 3 4 6 7 8 0 1 s-10000 2 3 6 0 3 7 0 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 4 6 7 8 n e T-20000 -30000

] s20000 m r V [ n15000 o i s n10000 e T 5000

-40000 0

-50000

Tiempo [ms]

AB_V

1 8 5 2 9 6 3 0 7 4 1 8 5 2 9 6 3 0 7 4 1 4 9 4 8 3 8 3 7 2 7 1 6 1 5 0 5 0 4 9 4 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 8 9

BC_V

Tiempo [ms]

CA_V


36

Causas de los huecos de tensión 

La severidad de los huecos de tensión dependen de:  La puesta a tierra del sistema  La impedancia y localización de la falla  Las conexiones de los transformadores  La forma de actuación de las protecciones  La conexión de la carga


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Sobretensiones momentáneas ( Swells ) 1.5

Crecimiento del valor eficaz de

1

0.5

-0.5

tensión (1,1 < V < 1, 8)

-1

-1.5 0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1


38

Elevaciones de la tensión (Swells )

 Duración: Desde medio ciclo (10 ms) hasta un minuto  Causas: Fallas en el sistema de potencia, cambios de carga, conexión de bancos de condensadores  Efectos: Computadores, sistemas de control, VSD, robots, condensadores, sistemas de iluminación, sistemas de protección, motores  Soluciones: Reguladores de tensión (Baterías UPS), transformadores ferro-resonantes. Copyright © 2011 Universidad Nacional de Colombia.

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Muescas de la señal (Notching )

1 0 .8

Perturbación de la señal de carácter permanente

0 .6 0 .4 0 .2

-0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0

0 .0 0 5

0 .0 1

0 .0 1 5

0 .0 2

0 .0 2 5

0 .0 3

0 .0 3 5

0 .0 4


40

Muescas de la señal

 Duración de la perturbación: microsegundos  Causas: Operación normal de convert ores e potenc a Generación de  Efectos: frecuencias armónicas altas  Soluciones: Filtros


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Ruido en la señal ( Noise )

1.5

1

0.5

0

-0.5

-1

-1.5 0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

Señal eléctrica inesperada de alta frecuencia < de 200 kHz y magnitud pequeña que se superpone a la señal de 60 Hz


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Ruido en la señal (Noise )

Duración: Esporádica o permanente  Causas: Dispositivos electrónicos (fuentes conmutadas). Interferencia electromagnética Puestas a tierra defectuosas Perturbaciones en equipo  Efectos: electrónico sensible. Pérdidas de datos  Soluciones: Filtros. Transformadores de aislamiento. Acondicionadores de línea


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Transitorios electromagnéticos

4

3

Cambio mprev s o en a señal de tensión

2

0

-1

-2 0

0 .01

0.02

0.0 3

0 .04

0.0 5

0.06


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