1.0.- INTRODUCCION En 1882 fue instalado el primer sistema eléctrico por Thomas Alba Edison, para suministrar energía a la Estación de la calle Pearl en la ciudad de Nueva York. El sistema fue energizado en DC, tres alambres, 220/110 volt, las cargas de las lamparas incandescentes de Edison tenían una potencia total de 30 Kw. En 1885 Wiliam Stanley construye el primer transformador laminado de AC, y en los años 1890 la Compañía Westhinhouse realiza las primeras experiencias con eso que se hace llamar “Corriente Alterna CA”. Esto aparentemente tiene muchas ventajas sobre la Corriente Directa. • • •
Con los transformadores de corriente alterna se puede realizar cambios en los niveles de voltaje y corriente. Los generadores de corriente alterna son más simples. Los motores de AC son simples y más baratos.
Con estas ventajas, los sistemas de corriente alterna se establecen firmemente, pero también a la par aparecen problemas técnicos, se utilizan muchas frecuencias (desde DC, 25, 50, 60, 125,133 Hz hasta los años 1900), sin embargo poco a poco las ventajas económicas hacen estandarizaré a la frecuencia y se adopta básicamente los 50 Hz en Europa y 60 Hz en América, por ser de características más aceptables de acuerdo a las velocidades de las turbinas de vapor que en ese momento se construían (3600 – 1800 r.p.m.) de esta forma los sistemas de CA se impusieron sobre los de CD, los cuales en la practica desaparecen del uso común. En el presente casi 100 años después, el amplio uso de circuitos electrónicos, computadoras, etc. y con el desarrollo del acero, la industria de los servicios, la manufactura, y otras mas, la necesidad de mas y mejor calidad de energía en sistemas eléctricos ha sido requerida. Entonces el mercado energético se convirtió en un generador importante de la economía y cada día se construyen mas y más potentes redes de energía incluso interconectandores en AC y DC, tomando el control del flujo de la energía y niveles de voltaje por medio de centrales convertidoras AC-DC-AC. Para toda esta tecnología de avanzada es necesario de la mejor calidad de la energía, y nuevas fuentes de energía, que a su vez trae nuevos problemas y cambios por resolver por los ingenieros Eléctricos de Potencia y Control, donde uno de los problemas es tomar el control sobre la Calidad de la Energía (Power Quality) perturbaciones (transientes) y propagación de Armónicas. Qué entendemos por Calidad de la energía? (Power Quality) Potencia es mucho más que la derivada de la energía con respecto al tiempo. La medición y análisis de la función de la potencia son de gran importancia tanto para el proveedor de energía eléctrica como para el usuario. El proveedor de electricidad entiende esto como la carga de penalidades para altas demandas, pésimos factores de potencia y algunas veces distorsión en la forma de onda. Los usuarios eléctricos por su parte entienden como el suministro de energía dentro de los parámetros contractuales es decir; amplitud y frecuencia determinada, con un porcentaje de error que no afecte sus instalaciones, que cubra por entero sus requerimientos en cuanto a INSTRUCTOR: RICARDO MARISCAL CHUSCANO
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cantidad y por eso comienzan a recobrarse de esto con la incorporación de procesos de control estadísticos y sistemas de producción basados en la calidad. La Energía es generada y convertida en otras formas de energía. La energía fluye en cierta dirección, es almacenada, procesada, disipada, ingresa al sistema a través de una superficie o puerto ya existente. Una multitud de índices de calidad pueden atribuirse o asociarse a la energía. Por ejemplo el más obvio es la eficiencia del proceso de conversión. El factor de potencia es básicamente la relación entre la energía transmitida sobre la máxima energía que podría ser transmitida bajo condiciones ideales mientras se mantiene las perdidas de energía en las líneas de transmisión y el voltaje del consumidor incambiable. En lo fundamental, el voltaje ideal es una sinusoide de amplitud y frecuencia constante. Sin embargo en la practica esta situación no existe en la practica, necesitamos de la capacidad de medir y calcular, predecir y comparar la imperfección de varios sistemas y establecer limites aceptables en varias aplicaciones. En la Tabla 1 se puede apreciar las diferentes Categorías y características de los fenómenos electromagnéticos de los Sistemas de Potencia 1.1.0.- TRANSCIENTES. Él término transciente se ha utilizado durante mucho tiempo cuando de análisis de las variaciones de sistemas de energía se trata, pata denotar un evento momentáneo que es indeseable. La noción de que un pulso oscilatorio transciente en un circuito RLC es en realidad más probable de lo que la mayoría de técnicos eléctricos piensan de cuando ellos escuchan la palabra transciente.
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Otra definición de uso muy común es aquella que dice que transciente es “ aquella parte del cambio en una variable que desaparece durante una transición desde un estado de condiciones de operación a otro. “ Desafortunadamente, esta definición podría usarse para describir justamente cualquier cosa inusual que suceda en el sistema. Los transcientes se pueden clasificar en dos categorías: • •
Transcientes Oscilatorias transcientes Impulsivas
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1.1.1.- Transcientes Impulsivas Una transciente impulsiva es un repentino, cambio de frecuencia sin potencia en la condición estable del voltaje, corriente o ambos, que es unidireccional en polaridad (primario uno u otro positivo o negativo) Las transcientes impulsivas se caracterizan normalmente por las veces de su asenso y descenso las cuales pueden ser reveladas por su contenido espectral. Por ejemplo un ascenso de una transiente impulsiva nominal de 1.2 x 50 micro segundos 2000V desde cero a un valor pico de 2000 V en 1.2 microsegundos, estos decaerán a la mitad del valor pico en 50 microsegundos. La más común causa de transientes impulsivas es la iluminación. La ilustración a continuación Fig. #1 es una corriente transiente impulsiva causada por la iluminación.
Figura #1.- Transciente impulsiva de corriente en el encendido de iluminación 1.1.2.- Transciente Oscilatoria. Una transciente oscilatoria es un repentino cambio de frecuencia no potente desde la condición de estabilidad de la corriente, voltaje o ambos, que incluyen los valores de polaridad positivos y negativos. En la Figura #2 un ejemplo. Una transciente oscilatoria consiste de un voltaje o corriente los cuales cambian rápidamente de valor instantáneo en la polaridad. Esto se describe por su contenido espectral (predominantemente frecuencia), duración, y magnitud. Las subclases del contenido espectral se definen en la tabla de alta media y baja frecuencia. Los rangos de frecuencia para estas clasificaciones están cambiando para coincidir con los tipos comunes de fenómenos transientes oscilatorios en los sistemas de potencia. INSTRUCTOR: RICARDO MARISCAL CHUSCANO
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Figura #2.- Ejemplo de una corriente transitoria oscilatoria. Los transcientes oscilatorios con un componente de frecuencia primaria tan grande como 500 Khz y una duración típica medida en microsegundos (o algunos ciclos de la frecuencia fundamental) se consideran como transcientes oscilatorios de alta frecuencia. Estas transcientes son a menudo la respuesta resultante de un sistema local a una transciente impulsiva. Es típico que en la conmutación de los capacitores se pueda encontrar las resultantes de las corrientes transitorias oscilatorias en el orden de las decenas de kilohertz como se ilustra en la Figura #3.
Figura #3.- Ejemplo de transciente oscilatoria en la energización de un banco de Capacitores. INSTRUCTOR: RICARDO MARISCAL CHUSCANO
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La conmutación de conductores resulta en una transciente oscilatorias de voltaje en el mismo campo de frecuencia. Un transciente de media frecuencia puede también ser la resultante de una respuesta del sistema a una transiente impulsiva. Una transciente con una componente de frecuencia de primario menor a 5 khz, y una duración desde 0.3 ms a 50 ms, es considerada como transciente oscilatoria de baja frecuencia. Esta categoría de fenómenos se encuentra comúnmente en múltiples eventos. La más frecuente es la energización de condensadores los cuales típicamente resultan en un transciente oscilatorio de voltaje con una frecuencia de primario entre 300 y 900 Hz. La magnitud pico puede aproximarse a 2.0 pu, pero es típicamente 1.3 – 1.5 pu con una duración de entre 0.5 y 3 ciclos dependiendo del sistema. La Figura #3 muestra un transciente oscilatorio de baja frecuencia causada por la energización de capacitores. Transciente oscilatorio con frecuencia principal menos a 300 Hz. también puede encontrarse en los sistemas distribución. Estos son generalmente asociados con energización de transformadores y de la ferroresonancia, como se muestra en la figura #4.
Figura #4.- transciente oscilatoria de baja frecuencia causada por la ferroresonancia de un transformador 1.2.0.- VARIACIONES DE VOLTAJE DE CORTA DURACION. Esta categoría concuerda con la indicada en la Categoría IEC, de voltajes del tipo DIPS e interrupciones de baja duración. Cada tipo de variaciones pueden designarse como instantáneos, momentáneos o temporales, dependiendo dé la duración como se define en la tabla.
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Variaciones de voltaje de corta duración son causadas por condiciones de falla, la energización de grandes cargas las cuales requieren unas altas corrientes de arranque, o conexiones perdidas intermitentes en los sistemas de alambrado de potencia. Dependiendo en la localización de la falla y las condiciones del sistema, la falla puede causar: • • •
caídas temporales de voltaje (sags) picos de voltaje (swells) perdidas completa de voltaje (interrupciones)
Las condiciones de falla pueden cerrarse desde un punto remoto de interés. En este caso, el impacto en la duración del voltaje durante las condiciones actuales de falla es de una variación de corta duración hasta que el circuito sea operado o se haya limpiado la falla. 1.2.1.- Sags Un sag es un decrecimiento entre 0.1 pu y 0.9 pu en rms. del voltaje o corriente a la frecuencia de la red que duraría desde 0.5 ciclos a un minuto. La comunidad de PQ ha usado el término sag por muchos años para describir un decrecimiento de voltaje de corta duración. Por otra parte el término no ha sido formalmente definido. Mas ha tenido una creciente aceptación y uso por los usuarios de utilitarios, manufacturas u usuarios finales. La definición IEC, para este fenómeno es DIP. Los dos términos se consideran intercambiables. 1.2.2.- Swells Un swells es un incremento entre 1.1 y 1.8 pu en voltaje o corriente rms, en un tiempo desde 0.5 ciclo a un minuto.
Figura 5
Como con los SAG, los SWELLS se asocian comúnmente con las condiciones de falla del sistema, pero estos no son tan comunes como los sags. Una forma de los swells INSTRUCTOR: RICARDO MARISCAL CHUSCANO
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puede ocurrir desde una subida de voltaje temporal durante una falla de una fase durante una falla de línea a tierra. Los SWELLS se caracterizan por su magnitud (valor rms) y duración. La severidad del un SWELL de voltaje durante una condición de falla esta en función de la localización de la falla, impedancia del sistema y aterrramiento. En un sistema mal aterrizado, con una impedancia infinita de secuencia cero, el voltaje de línea a tierra en las fases no aterrizadas será de 1.73 pu durante la condición de falla simple de línea a tierra. Algunos técnicos utilizan el termino sobrevoltaje momentáneo como un sinónimo del termino Swells. Figura #5.- Swell de voltaje instantáneo causados por una falla SLG. 1.2.3.- Interrupciones. Una interrupción ocurre cuando el suministro de voltaje o la corriente de carga decrece a menos de 0.1 pu por un período de tiempo que no excede 1 minuto. Las interrupciones pueden ser el resultado de una falla en el sistema de potencia, falla de equipos y malfunciones de control. La Interrupciones son medidas por su duración desde la magnitud de voltaje es siempre menor que el 10% del nominal. La duración de una interrupción debido a una falla en el sistema es determinada por el tiempo de operación en el circuito de protección del sistema. Un recierre instantáneo generalmente limitará la interrupción causada por una falla no permanente menor a los 30 ciclos. El tiempo de recierre de un circuito de protección puede causar una interrupción momentánea o temporal. La duración de una interrupción debido al malfuncionamiento de un equipo o perdida de conexión puede ser irregular.
Figura #6.- Interrupción momentánea 1.3.0.- VARIACIONES DE VOLTAJE DE LARGA DURACION. Se definen como variaciones de larga duración aquella cuya duración son mayor de un minuto. Según ANSI C84, especifica las tolerancias de un voltaje en estado estable en INSTRUCTOR: RICARDO MARISCAL CHUSCANO
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un sistema de potencia. Una variación de voltaje es considerada de larga duración cuando los límites ANSI son exedidos mas allá de un minuto. Las variaciones de larga duración pueden ser: • • •
Interrupciones sostenidas Bajo voltaje Sobre voltaje.
Los Bajo y sobre voltajes generalmente no son el resultado e fallas en el sistema, pero son causadas por variaciones en la carga y operaciones de conmutación en el sistema. Tales variaciones son graficadas típicamente como puntos de voltaje rms versus tiempo. 1.3.1.- Sobre voltaje Un sobre voltaje es un incremento en el valor rms del voltaje AC mayor en 110% a la frecuencia del sistema para un tiempo mayor a un minuto. Los sobrevoltajes son comúnmente el resultado de conmutar cargas o energización de bancos de capacitores. El sobrevoltaje es el resultado por que el sistema es tanto como una débil regulación de voltaje deseado o un inadecuado control de voltaje. Un incorrecto ajuste de tap puede causar un sobrevoltaje en el sistema. 1.3.2.- Bajo voltaje Un bajo voltaje es un decrecimiento en el valor rms del voltaje AC menor al 90% en la frecuencia del sistema por una tiempo mayor a un minuto. Los bajo voltajes son el resultado de los eventos contrarios a los que provocan los sobrevoltajes. Una carga conmutada en la desconexión de un banco de condensadores puede causar el bajo voltaje. 1.3.3.- Interrupciones sostenidas. Cuando el suministro de voltaje ha sido cero por un período de tiempo que excede un minuto, la variación de voltaje de larga duración se considera una interrupción sostenida. Las interrupciones de voltaje mayores a un minuto son a menudo permanentes y requieren de la intervención humana para reparar el sistema y su restauración. 1.4.0.- DESVALANCE DE VOLTAJE. El Desvalance de voltaje se define alguna veces como la máxima desviación del valor del la corriente y voltaje trifásico dividido para el valor de la corriente y voltaje trifásico, expresado en porciento.
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El desbalance también puede definirse usando las componentes simétricas. La relación entre la secuencia negativa o cero y la componente de secuencia positiva puede usarse para especificar el porcentaje de desbalance. La figura muestra un ejemplo de estas dos relaciones en una semana de desbalance en un alimentador residencial.
Figura #7.- Desbalance de Voltaje. 1.5.0.- DISTORSIONES DE LA FORMA DE ONDA. Las distorsiones de la forma de onda se definen como una desviación del estado estable desde una forma de onda perfectamente sinusoidal a la frecuencia a la frecuencia del sistema caracterizado por el contenido espectral de la desviación. A continuación unos cinco tipos primarios de distorsión de la forma de onda. • • • • •
DC Offset Harmonics (Armónicas) Interharmonics (Interarmónicas) Notching Noise (Ruido)
1.5.1.- DC Offset Presencia de voltaje de corriente directa en la línea, puede ser el resultante de perturbaciones geomagnéticas o por efecto de las medias ondas en los sistemas de rectificación. La CD en un sistema de energía alterna puede ser perjudicial en los núcleos de los transformadores ya que pueden llevar a la saturación en la operación normal. Esto causa adicionalmente calentamiento y disminución en la vida de un transformador. La corriente directa puede causar erosión electrolítica de barras de aterramiento y otros conectores. INSTRUCTOR: RICARDO MARISCAL CHUSCANO
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1.5.2.- Armónicos. Son voltajes o corrientes sinusoidales que tienen frecuencia múltiple a la fundamental, esta se originan en cargas no lineales en un sistema de potencia. Las distorsión de armónicas tienen un completo espectro con magnitudes y ángulos de fase de cada componente individual de cada armónica. 1.5.3.- Interarmónica. Son componentes de frecuencias de voltaje y corriente que no son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. La principal fuente de producción de interarmónicos son los convertidores de frecuencia estáticos, cicloconvertidores, motores de inducción. No hay un registro sobre los efectos de las interarmonicas, sin embargo se piensa que afectan a los sistemas de energías llevando señales, e inducen flicker visibles en los circuitos 1.5.4.- Notching Es una perturbación periódica de voltaje causada por la operación normal de circuitos de electrónica de potencia cuando la corriente es conmutada desde una fase a otra. Algunos notching ocurren continuamente y pueden caracterizarce a través de un espectro armónico que afecta al voltaje, sin embargo es a menudo tratado como un caso especial. Durante este período ocurre un momentáneo cortocircuito entre las dos fases llevando el voltaje a cero tanto como la impedancia del sistema lo permite.
Figura #8.- Notching en una red trifásica y la distorsión que se ve en la onda. 1.5.5.- Noise (ruido). El ruido se define como señales eléctricas inesperadas dentro de un contenido espectral menor a 200 khz super puestos a las ondas de corriente o voltaje en las fases conductoras en los conductores neutros o líneas de señal este ruido puede ser causado por circuitos de control cargas con rectificadores de estado sólido y fuentes de energía INSTRUCTOR: RICARDO MARISCAL CHUSCANO
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conmutada o conmutable. Los problemas de ruido pueden a menudo ser excitados por instalaciones inapropiadas de puesta a tierra. Básicamente el ruido consiste en cualquier distorsión insoportable de la señal de potencia que no puede ser clasificada como distorsión de armónica o transciente. 1.6.0.- FLUCTUACIONES DE VOLTAJE Las fluctuaciones de voltajes son variaciones son sistemáticas del voltaje sobre una serie de cambios inesperados del voltaje, y magnitudes las cuales no exceden normalmente los rangos especificados con ANSI C84.1 DE 0.9PU A 1.1 PU.
A continuación en la Tabla #2 presentamos un resumen de términos utilizados en la Norma IEEE1159. Estos términos están siendo homologados con los que aparecen en las normas IEC 61000-1-X (Consideraciones Generales, definiciones y terminología) RESUMEN DE TERMINOS P1159 Categorías Tipos Transientes Variaciones de corta duración Variaciones de larga duración
Imbalance del voltaje Distorsiones de forma de onda
Duración típica Oscilatorios, menor de 1 Impulsivos ciclo Sags, swells, menor de 1 Interrupciones minuto Bajo y sobre voltaje sobre 1 minuto interrupciones sostenidas
Armónicas, Notching, ruido en
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Causas comunes
Luces y conmutación de cargas Fallas. arranques de motores, Regulación pésima de voltaje. ajuste incorrecto del tap del transf. alimentadores sobrecargados estado estable cargas desbalanceadas, falla de equipos estado estable cargas electrónicas mariscalchuscano@hotmail.com
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el sistema Fluctuaciones de voltaje Variaciones de la frecuencia de la red
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estado estable
cargas accidentales, conexiones perdidas estado estable Control de generador pésimo
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