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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CD. JUÁREZ

CALIDAD DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA

CURSO: CALIDAD DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA FACILITADOR: ING. GABRIEL CÁRDENAS BURILLO ENERO 2016

1. INTRODUCCIÓN

Tanto las empresas suministradoras de energía como los usuarios finales del servicio de energía eléctrica, han estado insistiendo cada vez más en el concepto de calidad de la energía. Esto se inició en la década de los 80´s y se ha convertido en una especie de concepto general, alrededor del cual se puede ubicar una multitud de distintos tipos de disturbios y problemas que se pueden presentar en un sistema eléctrico.

Las principales razones por las que es necesario estudiar los conceptos relacionados con la calidad en el suministro de la energía eléctrica, son las 2 siguientes:

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1. Las cargas cada día son más sensibles a las variaciones de ciertos parámetros o cantidades en los sistemas del suministro de energía eléctrica, en la actualidad se encuentran cargas tanto industriales como residenciales y comerciales, que hacen un uso intensivo de controles basados en microprocesadores, como es el caso de las aplicaciones en robótica, las computadoras personales, aparatos del hogar, etc. También existe cada vez mayor la presencia de la llamada electrónica de potencia, usada en distintas aplicaciones, como es el caso de los controladores para motores eléctricos y que son sensibles a 3 muchos tipos de disturbios.

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2. Se ha incrementado el concepto de mayor eficiencia en los sistemas eléctricos, lo cual ha traído como resultado un incremento continuo en la aplicación de dispositivos de alta eficiencia, tales como: los controladores de velocidad en motores eléctricos, el uso de capacitores en paralelo para la corrección del factor de potencia y para reducir pérdidas; esto trae como consecuencia un incremento en los niveles de armónicas en los sistemas eléctricos, problema que ha preocupado a los técnicos, por el impacto que actualmente tienen y por las condiciones futuras que se pueden presentar. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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3. Una mayor atención por parte de los usuarios finales a problemas con la calidad del suministro de la energía eléctrica, que pueden afectar a las cargas, como son: las interrupciones del servicio, los transitorios por maniobras, las depresiones(sag´s) y elevaciones(swell´s) de voltaje, etc.

4. La cada vez más creciente tendencia a la interconexión de los sistemas eléctricos al nivel de sistemas de potencia y de instalaciones industriales, trae como resultado una mayor cantidad de procesos integrados, lo cual significa que una falla en cualquier componente tiene 5 CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA ING. GABRIEL CÁRDENAS BURILLO ENERO 2016 consecuencias másFACILITADOR: importantes.

El principal factor que se encuentra detrás de los conceptos de la calidad en el suministro de la energía eléctrica es el incremento en la productividad para los clientes de las empresas eléctricas. Lo anterior, plantea la necesidad de identificar estos problemas entre suministradores y usuarios de energía eléctrica en forma grupal, para que en la medida de lo posible se planteen soluciones conjuntas. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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1.2 Algunos antecedentes históricos relacionados con el estudio de la calidad de la energía

En México, el suministro de energía a los usuarios, está regido por la ley del servicio público y su reglamento, en donde se especifican los límites superior e inferior del voltaje de suministro en el punto de entrega al usuario. La entrega se voltajes fuera de estos límites se considera anomalía o deficiencia del suministro. Históricamente, la calidad de la energía no ha sido un problema mayor, hasta hace poco tiempo, en forma genérica, se consideraba que excepto por la continuidad, el suministro para la mayoría de los usuarios de la energía eléctrica era completamente satisfactorio. 7

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Sin embargo, el incremento masivo que se ha tenido en la utilización de equipo basado en electrónica de potencia, ha creado un doble problema para el suministrador:

1. En primer lugar, este equipo, en común con cualquier dispositivo que incorpora electrónica de potencia, es sensible a las variaciones rápidas del voltaje, como son los abatimientos(sag´s) del voltaje (deficiencias del voltaje suministrado). 2. En segundo lugar, este tipo de equipo genera distorsión armónica y, bajo ciertas condiciones, puede deteriorar la magnitud y forma de onda del voltaje suministrado, a tal grado que sea inadecuado para la mayoría de los usuarios que 8 comparten esa misma fuente de suministro.

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La sociedad actual es dependiente del comportamiento de sus dispositivos motorizados e informatizados. Cuando sucedan anomalías en el suministro de la energía eléctrica, el comportamiento de estos sistemas se ve afectado, los beneficios económicos y de bienestar que proporciona la tecnología se eliminan y se desprenden numerosos problemas, tanto para la empresa suministradora como para sus usuarios. El suministrador, usualmente atribuye los problemas a anomalías en la instalación del usuario mientras que el usuario, normalmente asocia los problemas a deficiencias en las redes de suministro. En la mayoría de las veces,9

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ambos olvidan las limitaciones que tienen los equipos electrónicos sensibles para operar en el ambiente de las redes eléctricas tradicionales de ambos. Por lo anterior, el conocimiento de las características de la calidad de la energía de los sistemas eléctricos del suministrador y del usuario es esencial para establecer acciones económicas, tanto por parte del suministrador como del usuario, que permitan el control de los efectos no deseables. Existen tres cambios fundamentales en la naturaleza de la carga del usuario y del sistema de10

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potencia, que conciernen a la calidad de la energía:

1. La microelectrónica ha producido una creciente categoría de cargas a nivel residencial, comercial e industrial, que son muy sensibles a las variaciones de la calidad de la energía. Los esquemas de diseño de integración a gran escala y a muy gran escala de los microprocesadores modernos, han resultado en dispositivos más rápidos, más complejos y con mayor capacidad de memoria para una misma superficie. La lógica para estos circuitos requiere de niveles de tensión y de energía menores, reduciendo el consumo de potencia y, por lo tanto, los requerimientos de 11 ventilación.

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2. La electrónica de potencia ha producido una nueva

generación

de

dispositivos

de

alta

capacidad y bajo costo, lo que ha extendido su utilización.

Sin

embargo,

estos

mismos

dispositivos producen perturbaciones en la calidad

de la energía, a los cuales la microelectrónica es sensible. Se estima que la porción de la energía

eléctrica total generada para aquellas cargas procesadas

por

electrónica

de

potencia

se

incrementará de un nivel actual de 20-30% al 5060% en el año 2015. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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3. Mientras que estos cambios dramáticos se están dando en las cargas, las empresas eléctricas y los clientes

industriales

continúan

aplicando

capacitores para la corrección del factor de potencia, para controlar el voltaje y reducir el flujo

de reactivos. Estos capacitores influyen en los muchos tipos de problemas de calidad de la

energía, ya que son como una “coladera” para corrientes de alta frecuencia y pueden mejorar la situación

o

incrementar

agravarla los

significativamente,

niveles

de

armónicas,

dependiendo de los parámetros del sistema.

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al

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La proliferación de las cargas y fuentes no lineales se ha dado en ausencia de normas completas que limiten las señales armónicas, que el sistema de potencia debe ser capaz de soportar y que las empresas eléctricas puedan absorber. Esta situación conduce a problemas de calidad de la energía, tanto para las empresas eléctricas como para sus clientes: la caracterización de las fuentes de “energía sucias” y los requisitos de “energía limpia” para cargas sensibles. Lo anterior, demanda el establecimiento de guías y normas que seguramente requerirán de evaluaciones técnicas y 14 económicas exhaustivas.

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Adicionalmente a los tres cambios descritos anteriormente, los problemas de calidad de energía se han agravado, debido a la combinación de las siguientes tendencias:

a) Una mayor utilización de equipo procesamiento de datos y comunicaciones.

para

b) Los equipos eléctricos modernos se han vuelto más sensibles al voltaje: los diseños y componentes están en sus límites; se acabaron los diseños sobrados. c) El número de disturbios eléctricos se ha incrementado, pues la demanda ha crecido más 15 rápido que la generación.

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En la literatura técnica aparecen cada vez con mayor frecuencia, estadísticas que se han llevado a cabo en industrias u otro tipo de cargas, con objeto de caracterizar los problemas de calidad de la energía. Por ejemplo, el porcentaje de los disturbios que se presentan como depresiones de voltaje (“sags”), sobretensiones, impulsos, distorsiones de la onda senoidal, etc. También es preocupación actual cuantificar las magnitudes y duraciones de estos disturbios, que afectan a los diferentes tipos de cargas, principalmente aquellas que hacen uso intensivo de la electrónica de potencia. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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Estos son algunos resultados de encuestas realizadas en diferentes industrias, referentes a la operación de los sistemas: a) Un poco más del 62% de los disturbios fueron depresiones(sag´s) de voltaje con duración menor a medio segundo (30 ciclos). Típicamente, estas depresiones(sag´s) son resultado de condiciones de falla: un corto circuito en el sistema de la empresa suministradora, descargas atmosféricas, ramas de árbol o pequeños animales. Las depresiones(sag´s) de voltaje también son resultado del arranque de un motor, aunque estas subtensiones comúnmente son mayores en duración de 30 ciclos y el voltaje asociado no es tan bajo. La magnitud y duración de la 17 depresión(sag) de voltaje determina la magnitud del CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA FACILITADOR: ING. GABRIEL CÁRDENAS BURILLO ENERO 2016 daño al equipo sensible.

b) Aproximadamente el 21% de los disturbios fueron impulsos de voltaje transitorios. La conexión y desconexión de cargas ocasiona estos impulsos. Normalmente no representan un problema hasta que sobrepasan el 200 ó 300% del voltaje rms. El impulso es una elevación transitoria con duración menor a medio ciclo. Otras causas comunes son: descargas atmosféricas cercanas, descargas estáticas y arqueo entre contactos.

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c) Las interrupciones constituyeron el 14% de los disturbios. Ningún sistema es invulnerable a las interrupciones, éstas son ocasionadas por cortocircuitos, descargas atmosféricas, mal funcionamiento del equipo, accidentes automovilísticos, excavaciones en sistemas subterráneos, etc. d) Las sobretensiones de voltaje representaron el 2%.

Otro estudio citado con frecuencia en la literatura fue realizado por los laboratorios de la compañía Bell Telephone, con los siguientes resultados: 19

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a)Se observó la siguiente distribución entre los disturbios: Sobretensiones = 0.7% Interrupciones = 4.7% Impulsos = 7.4%

Depresiones(sag´s) = 87.2%

Debido a que las depresiones(sag´s) se registraron simultáneamente en todos los sitios de monitoreo, la fuente de estas depresiones(sag´s) está en el sistema de la compañía suministradora. La duración media de las depresiones(sag´s) fue 20 de 190ms (11.4 ciclos) y ninguna ocurrió por CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA FACILITADOR: ING. GABRIEL CÁRDENAS BURILLO ENERO 2016 menos de 100ms (6 ciclos).

b) Se encontró una correlación importante entre las tormentas eléctricas y las depresiones(sag´s) de tensión más severas. El 81% de estas depresiones(sag´s) severas ocurrieron durante tormentas eléctricas en el área y 8 de las 16 depresiones(sag´s) más severas fueron el resultado de dos tormentas únicamente.

c) No se encontró correlación alguna entre la ocurrencia de impulsos y las descargas atmosféricas. Los ocho impulsos de mayor magnitud que se registraron en una subestación 21 de 40kV fueron comparados con los datos del CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA FACILITADOR: ING. GABRIEL CÁRDENAS BURILLO ENERO 2016

sistema de detección de rayos de la empresa eléctrica. En siete de estos casos, no hubo actividad de rayos dentro de un área de varios cientos de kilómetros. En unos de los casos hubo descargas atmosféricas no más próximas de 32km de la planta.

d) El último grupo de disturbios que se consideró fue el de tensiones arriba y abajo del valor rms nominal. Ninguno de estos disturbios se pudo correlacionar con algún paro de producción en la planta. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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Es conveniente mencionar que en Europa, las Instituciones que han trabajado al respecto son: en cuanto a normalización, el Instituto Alemán de Ingenieros (VDI) y el Instituto Británico de Normalización (BSI). En el ámbito nacional, indudablemente las exigencias de los consumidores de energía eléctrica han obligado a las empresas de este servicio a prestar mayor atención y a buscar soluciones para los problemas de las variaciones de voltaje. Para atender estas exigencias, tanto la Comisión Federal de Electricidad (CFE) como Luz y Fuerza de Centro (L y FC) están emprendiendo acciones de mejora y modernización de los procesos que se llevan a cabo para brindar el servicio eléctrico. Buena parte de ellas se encuentra en los sistemas de distribución, punto de enlace entre los usuarios y el sistema eléctrico de energía 23

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La importancia de abordar con urgencia este tema de la calidad del suministro de la energía eléctrica es por consecuencia del incremento del número de cargas sensibles conectadas a los sistemas eléctricos. Y esto no será exclusivo de consumidores domésticos o comerciales. Por el contrario, también se verán inmersos en este problema los consumidores industriales y las propias compañías generadoras y distribuidoras de energía eléctrica, debido principalmente a la aplicación y utilización de los avances tecnológicos que ofrece la electrónica de potencia. 24

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1.3 ¿Qué es la calidad de la energía?

La definición de la “calidad de la energía” es algo indeterminado. Pero que se puede definir como una ausencia de interrupciones, sobretensiones, deformaciones producidas por armónicas en la red y variaciones de voltaje rms suministrado al usuario; esto concierne a la estabilidad de voltaje, la frecuencia y la continuidad del servicio eléctrico. Actualmente, la calidad de la energía es el resultado de una atención continua. En años recientes, esta atención ha sido de mayor importancia, debido al incremento del número de cargas sensibles en los sistemas de distribución, las cuales, por sí solas, resultan ser una causa de degradación en la 25 calidad de la energía eléctrica.

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Debido a la importancia que representa la energía eléctrica en nuestra vida, para su uso en la iluminación, la operación de diversos equipos, video, aire acondicionado y sistemas de cómputo. La energía eléctrica se ha empleado en la fabricación de la mayoría de las cosas que utilizamos. Por consiguiente, los disturbios y variaciones de voltaje que se producen, tienden a afectarnos de alguna u otra manera. Podemos decir que el objetivo de la calidad de la energía es encontrar caminos efectivos para corregir los disturbios y variaciones de voltaje en el lado del26

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usuario y proponer soluciones para corregir las fallas que se presentan en el lado del sistema de las compañías suministradoras de energía eléctrica, para lograr con ello un suministro de energía eléctrica con calidad.

No existe un consenso en la terminología que define los disturbios más comunes que afectan la calidad de la energía. A continuación, se describen los términos más utilizados y aceptados en este campo, tanto por fabricantes como usuarios de equipo de monitoreo de la calidad de la energía. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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Fuentes de disturbios eléctricos de distribución:

en

sistemas

a) Fluctuaciones de voltaje.

Significa una disminución momentánea en la magnitud del voltaje RMS, con una duración que va desde 10ms (0.6 ciclos) hasta 2.5 seg. (150 ciclos), causado por una falla remota en algún lugar del sistema de potencia. También existen las elevaciones de tensión (“swells”), que no son tan comunes. Las condiciones de alto o bajo voltaje pueden representarse en circuitos durante la conexión o desconexión de cargas de gran tamaño o durante periodos de sobrecargas. (Figura 1.1) 28

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Una depresión severa se define como aquella menor que el 85% de la tensión nominal. Si estas condiciones se presentan con frecuencia o durante periodos prolongados pueden dar lugar a envejecimiento de componentes electrónicos en sistemas digitales y errores durante el almacenamiento o lectura de la información. Su presencia puede, algunas veces, detectarse visualmente al presentarse “parpadeo” o disminución del nivel de iluminación en lámparas, o reducción “encogimiento” del área de despliegue en monitores de televisión o computadoras. 29

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Figura 1.1.

Fluctuaciones de voltaje causadas por condiciones de fallas remotas y conexión o desconexión de grandes cargas. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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b) Sobretensiones transitorias.

Estas se presentan en forma de impulsos de voltaje de corta duración, superpuestos en la señal de alimentación y frecuentemente intermitentes, con una duración menor a dos milisegundos. Los impulsos pueden tener su origen en las descargas atmosféricas, en maniobra de interruptores y al conectar o desconectar capacitores para la corrección del factor de potencia, estos constituyen los llamados “picos” de voltaje. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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Figura 1.2

Problemas de calidad de voltaje CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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A diferencia de las sobretensiones temporales y exceptuando el caso crítico de rayos muy cerca de las instalaciones que producen chispas en los contactos, estas sobretensiones no presentan una indicación clara de su existencia, que pueda detectarse visualmente en circuitos de alumbrado o en alguna otra forma. Sin embargo, dado que su nivel puede llegar a alcanzar valores de cinco veces más del voltaje nominal, su efecto consiste en aplicar esfuerzos excesivos al aislamiento de diversos equipos o disturbios a componentes electrónicos sensibles. 33

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Esto último puede traer como consecuencia la interrupción de programas en procesos de computadoras, pérdida de información almacenada en memoria o daño a los elementos mismos (hardware). Otros factores transitorios, dentro de esta clasificación, son las operaciones de conexión y desconexión de motores eléctricos en elevadores, equipos de aire acondicionado, refrigeradores, etc.

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Figura 1.3

Sobretensiones transitorias CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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c) Interrupciones de energía.

Las interrupciones instantáneas de energía, provocadas por una condición de falla del aislamiento después de una operación exitosa del equipo de restablecimiento pueden tener una duración de hasta varios ciclos (Figura 1.4). La Figura 1.5 muestra la curva de tolerancia de variaciones de voltaje típicas de equipos de cómputo. Aquí puede apreciarse que una disminución de voltaje cero, es decir, una interrupción puede ser tolerada por una computadora durante un tiempo no mayor a medio ciclo. 36

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INTERRUPCIONES INSTANTÁNEAS

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Figura 1.5 CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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Por lo tanto, deben tomarse las medidas necesarias para reducir al mínimo las salidas instantáneas, generalmente producidas durante tormentas eléctricas. Esto es posible con el uso de nuevas tecnologías, por ejemplo, utilizando aisladores con entrehierro y limitadores de corriente.

Las interrupciones temporales de energía, generalmente ocurren por algún disturbio en el sistema eléctrico (fallas en el sistema de potencia, accidentes que involucran la red de distribución, fallas de transformadores o generadores) o por sobrecargas en la red de baja tensión. Su duración puede ser desde algunos milisegundos hasta varias horas (Figura 1.6).39

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Figura 1.6

Interrupciones temporales

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d) Ruido eléctrico (interferencia).

Una forma común de disturbios en sistemas de cómputo es el ruido eléctrico, generado por sistemas de transmisión de señales de radio, operación de lámparas fluorescentes y controladores de atenuación de niveles de iluminación (Figura 1.7). Este tipo de ruido puede afectar la operación de computadoras al producir diversos problemas durante la ejecución de programas. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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Figura 1.7

Ruido eléctrico CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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e) Armónicas

Significa simplemente que la forma de onda de la tensión (o corriente) no es una senoidal pura. Esto resulta de la adición de una o más ondas armónicas que se sobreponen a la onda fundamental o de 60Hz. La aparición creciente de cargas no lineales en sistemas de distribución, tales como convertidores estáticos de potencia, controladores de motores con rectificadores controlados de silicio, hornos de arco en aplicaciones industriales, etc., ha traído como consecuencia un aumento notable del contenido de CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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componentes armónicas, que se manifiestan en forma de distorsiones diversas de la forma de onda del voltaje en la red de distribución, como se muestra en la Figura 1.8. Los consumidores ubicados cerca de instalaciones industriales o aquellos que tienen alguna carga no lineal, pueden ver expuestos sus equipos sensibles a esfuerzos excesivos o a una operación inadecuada.

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En el ámbito industrial, la utilización de capacitores para corregir el factor de potencia puede proporcionar, en algunas circunstancias, la aparición de condiciones de resonancia entre los capacitores y la inductancia de los transformadores. La existencia de armónicas en la red de distribución provoca aumento de las pérdidas en equipos por efecto Joule, con el consecuente aumento de temperatura, sobre esfuerzo en aislamientos y disturbios provocados por interferencia en circuitos de control, de protecciones y en sistemas de telecomunicaciones. 45

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Figura 1.8

Distorsión armónica CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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1.4 Origen de las depresiones de voltaje

En el sistema eléctrico, es frecuente la presencia de disturbios y de problemas inesperados causados por fenómenos naturales, accidentes o por la operación misma de la red. La mayoría de los usuarios de energía eléctrica experimentan pocos problemas con la “calidad de energía”, ya que sus cargas son insensibles a variaciones rápidas en el voltaje de alimentación (conocidas como abatimientos o depresiones de voltaje). CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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Abatimiento de voltaje

Es una disminución momentánea en la magnitud del voltaje rms (normalmente comprendida entre 0.5 y 30 ciclos), usualmente se origina por la presencia de una falla en algún punto del sistema (ver Figura 1.9). Los abatimientos de voltaje constituyen el problema más frecuente que sobre calidad de la energía enfrentan muchos usuarios industriales. El equipo utilizado en las plantas industriales modernas (controladores de procesos, controladores lógicos programables, variadores de velocidad y la robótica 48 entre otros) es cada vez más sensible a los

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Figura 1.9

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Formas de onda de voltaje distorsionadas 49

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Figura 1.10 Formas de onda de las depresiones de voltaje causadas por una condición 50 de falla remota (7 ciclos)

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abatimientos de voltaje. Aún los relés numéricos y los contactores de motores presentan sensibilidad importante a los abatimientos de voltaje resultando en general en paros forzados de los procesos asociados.

Es importante señalar la diferencia entre una interrupción del servicio (pérdida completa del voltaje) y una depresión de voltaje. La interrupción se presenta cuando un dispositivo de protección interrumpe el circuito que alimenta a un determinado usuario, esto normalmente ocurre sólo cuando existe CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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una falla en ese circuito. Las depresiones de voltaje se generan durante el tiempo que persiste la falla sobre una porción amplia del sistema de potencia, las fallas en alimentadores paralelos o en el sistema de transmisión ocasionan depresiones de voltaje pero no interrupciones; sin embargo, el usuario industrial puede percibir estas depresiones de voltaje como interrupciones del servicio si su equipo sensible sale de servicio o se dispara por efecto de la caída momentánea de tensión. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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En consecuencia, los abatimientos de voltaje son más frecuentes que las interrupciones de servicio y, cuando se cuenta con equipo sensible a este fenómeno, la frecuencia de los problemas será mucho mayor que para los casos en que los equipos son exclusivamente sensibles a las interrupciones. La sensibilidad de cada red eléctrica depende principalmente de su topología y de los niveles de las corrientes de cortocircuito, con base en esto, es conveniente contar con herramientas que permitan predecir la magnitud y la duración de los abatimientos o depresiones de voltaje para falla en 53 diferentes puntos de la red.

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Los abatimientos de voltaje se producen como una consecuencia de la presencia de condiciones de falla en el sistema. Adicionalmente, en algunas condiciones el arranque de motores puede producir disminución del voltaje; sin embargo, estas disminuciones de voltaje usualmente son de mayor duración a 30 ciclos y la disminución del voltaje es de menor magnitud. Las disminuciones de voltaje que se producen por el arranque de motores, se identifican normalmente como el fenómeno de flicker o parpadeo, especialmente en situaciones donde la operación del motor es de tipo cíclico. 54

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Las fallas que producen los abatimientos de voltaje pueden presentarse tanto en el interior de la instalación industrial como en el sistema de suministro. El abatimiento del voltaje permanece hasta que la falla se elimina, mediante la operación de los dispositivos de protección. En las instalaciones industriales, el dispositivo para eliminar la falla será normalmente un fusible o un contactor. Por el contrario, en la red de suministro, las fallas usualmente se eliminan mediante la operación de fusibles en los ramales, restauradores sobre la red troncal o por medio del interruptor en la subestación. Cuando se utiliza el recierre como mecanismo para minimizar la duración de las fallas temporales, esta condición puede producir el fenómeno de abatimiento de voltaje varias veces para el mismo 55 evento CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA FACILITADOR: ING. GABRIEL CÁRDENAS BURILLO ENERO 2016

Las fallas sobre la red eléctrica pueden ocurrir en el sistema de distribución o transmisión. La Figura 1.11, ilustra la configuración típica de una red de distribución donde un número de alimentadores suministra la energía eléctrica a los usuarios desde un bus común. Una falla sobre el alimentador F1 producirá una interrupción que afectará a los usuarios que están conectados en el mismo alimentador. Sin embargo, los usuarios de los otros tres alimentadores experimentarán un abatimiento de voltaje con una duración igual al tiempo en que tarda en liberarse la falla. Con operaciones de recierre en56

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la subestación para eliminar la falla del alimentador F1, los usuarios de los alimentadores paralelos podrán estar expuestos hasta cuatro abatimientos sucesivos de la magnitud del voltaje, con una duración que va desde aproximadamente 6 ciclos hasta del orden de 2 segundos.

La magnitud del voltaje para los usuarios de los alimentadores paralelos tendrá la característica mostrada en la Figura 1.12, donde se ilustra el efecto de una operación de recierre. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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Figura 1.11

58 Diagrama unifilar de un sistema de distribución ilustrando los tipos de dispositivos de protección

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Figura 1.12

Localización de las depresiones de voltaje a usuarios con una operación de recierre. 59

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1.5 Cómo afecta la calidad de la energía la operación del equipo eléctrico.

La calidad de la energía, es el grado en el cual la utilización y el suministro de potencia eléctrica afecta la operación del equipo eléctrico. Otra forma usual para describir la calidad de la energía en términos de voltaje. Cualquier desviación de la magnitud o frecuencia de la onda senoidal de voltaje puede ser considerada como un disturbio en la calidad de energía.

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 Cuando se usan estas definiciones, es importante no pasar por alto los siguientes factores:  Rango de “aceptación” en el diseño de equipos eléctricos sensibles y compatibles con el sistema.

 Selección, instalación y conexión a tierra de equipos eléctricos.

 La mejor medición de la calidad de la energía es la capacidad del equipo eléctrico para operar de una manera satisfactoria, dándole su propio cuidado y mantenimiento. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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 La carga deberá ser seleccionada y adaptada para ser compatible con el sistema eléctrico.

 El desarrollo de mediciones y las guías de operación para elegir equipo eléctrico deben estar definidas en normas, políticas y procedimientos.  La calidad de la energía es un tema cada vez de mayor importancia, dependiendo de la frecuencia de los problemas experimentados por el usuario final.

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 Los factores que más contribuyen a los problemas asociados con la calidad de la energía son los siguientes:  Cargas sensibles.

 Complejidad de equipos e instalaciones.  Equipos que provocan disturbios.

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Consideraciones sobre la distribución de la energía eléctrica.

Como se sabe, la potencia eléctrica se genera en varias centrales distantes entre si y de los centros de consumo, eléctricamente y geográficamente se envía hacia los centros de consumo, en alta tensión a través del sistema de transmisión, de donde se toma y se envía por medio del sistema de subtransmisión hacia las redes de distribución donde se distribuye localmente.

El voltaje del sistema local de distribución se reduce a un nivel apropiado y se conecta a la 64 acometida del usuario.

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Los niveles de voltaje y configuraciones.

 La energía suministradora al usuario puede ser monofásica o trifásica.

 La energía monofásica se suministra usualmente para usuarios residenciales, de oficina y comercios pequeños.  El nivel de voltaje típico para la alimentación monofásica es de 127/220V.

 La alimentación trifásica se proporciona generalmente a usuarios comerciales, agrícolas e industriales en baja tensión son de 220, 440 y 480 65 volts, medidos de fase a fase.

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 El equipo rotatorio, tal como motores y otros equipos de potencia considerable, requieren de alimentación trifásica para operar, pero muchas cargas requieren únicamente alimentación monofásica, que se obtiene de la trifásica, conectando la carga entre dos fases o de una fase al conductor neutro.

 De la conexión para obtención de diferentes niveles de voltaje, pueden resultar distintos esquemas. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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La distribución de la energía eléctrica al

usuario.

 La alimentación eléctrica llega al usuario a través

de la acometida y pasa a través del medidor al centro de carga (también llamado “caja de fusibles”, “tablero de interruptores”, etc.).

 En muchas aplicaciones, varios usuarios están conectados al mismo centro de carga.

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En sistemas de distribución grandes, estos centros

de carga pueden alimentar a su vez a otros centros de carga.

 Se usa transformador si se requiere un voltaje diferente o aislarse del resto del sistema de distribución.

 El transformador crea efectivamente un nuevo sistema de alimentación, un nuevo punto de conexión a tierra neutro. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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La distribución eléctrica y el efecto de la

conexión a tierra. De acuerdo

a investigaciones recientes,

la

mayoría de los problemas de calidad de la energía se deben a una inapropiada o inefectiva forma de

distribución de la energía eléctrica y la conexión a

tierra dentro de las instalaciones del usuario. Los problemas típicos por la conexión a tierra y distribución resultan de los siguientes aspectos: CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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 Alambrado inapropiado, debido a la falta de

compatibilidad entre tierra y conexión a tierra para seguridad.

 Alta impedancia en el sistema de tierra.  Niveles excesivos de corrientes en el sistema de tierras, debidos a errores de alambrado, corriente de

fuga, corrientes circulantes en el sistema de tierras y otros problemas.

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Se debe entender que no obstante que el uso del equipo de corrección apropiado pude resolver los problemas de calidad de la energía, ello no resuelve por sí mismo los problemas ocasionados por la distribución propia del usuario y sus sistemas de conexión a tierra.

Es esencial que la distribución del usuario y su sistema de conexión a tierra sean diseñados e instalados apropiadamente y de acuerdo con las normas vigentes, para proveer la seguridad del personal y la correcta operación del equipo. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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Conexión a Tierra

La conexión a tierra es uno de los aspectos más importantes en un sistema de distribución eléctrico, pero también de los que menos importancia se les da.

En México. La CFE establece los códigos legales para las instalaciones eléctricas en los sistemas y la NOM-001-SEDE-2012 para las instalaciones eléctricas en general. La conexión a tierra se ha establecido de una manera eficiente y sirve para los siguientes 72 propósitos:

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 Proteger la vida de un shock eléctrico y la propiedad de daños.

 Limitar el voltaje de un circuito cuando es expuesto a voltajes más altos de los que fue diseñado.  En general, limitar el voltaje de un circuito de CA a 150 volts o menos en circuitos de alambrado interior.

 Facilitar la operación de aparatos y sistemas eléctricos.  Limitar el voltaje en un circuito en el que de otra forma su puede exponer a una descarga.

A fin de tener lo anterior, se requiere una tierra efectiva una conexión a tierra de equipo apropiado. 73

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Conexión a Tierra efectiva.

 Conexión a tierra efectiva, establece el voltaje cero como referencia para una sistema de distribución eléctrico y provee protección para el sistema eléctrico y el equipo de voltajes superpuestos por descarga y contacto con sistemas de alto voltaje. La conexión a tierra proviene la aparición de voltajes de tipo estático y potencialmente peligrosos en un edificio.  El electrodo de tierra más común es una varilla de acero recubierta de cobre. 74

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 La resistencia a tierra debe ser tan baja como sea posible, lo que dará un buen funcionamiento al sistema de distribución y una buena protección al personal.  La conexión del sistema de distribución eléctrico a tierra se hace en la entrada del servicio.  El neutro del sistema de distribución se conecta a tierra en la entrada del servicio.

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El neutro y la tierra también se conectan juntos el secundario del transformador en el sistema de distribución, donde el secundario forma un sistema aterrizado.  El sistema puede se aterrizado, si cuando se conecta a tierra el voltaje máximo a tierra no excede de 150V.  Los anteriores son los únicos lugares donde se conecta a tierra del neutro y, cualquier otra conexión, sea intencional o no, puede ser peligrosa y traer problemas de calidad de la energía. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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Los costos para la solución del problema de calidad de la energía.

Los costos asociados con la solución o reducción de problemas de la calidad de la energía pueden variar, desde los costos reducidos como los asociados a revisar las conexiones de flojas de alambrado, hasta los muy altos, tales como comprobar e instalar una fuente de potencia ininterrumpible o asegurando la compatibilidad de los circuitos de distribución. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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Los costos asociados con la sensibilidad del equipo, emisión de disturbios e instalación suelen ser incluidos en la compra de cualquier producto eléctrico, por ejemplo, equipos productores de armónicas tienen incorporados sus propios filtros, que por supuesto tienen costos asociados.

Aún si no se han experimentado problemas de calidad de la energía en las instalaciones de usuario, se deben observar los pasos para minimizar la propagación de disturbios, los cuales pueden originarse y reflejarse hacia el sistema de distribución, contaminando a éste y afectando a otros 78 usuarios conectados a la misma red.

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Es difícil determinar qué tanto se debe pagar por la reducción o eliminación de problemas de calidad de la energía. Para evitar problemas costosos, existen algunas medidas preventivas que puede tener el usuario. Algunos de los costos específicos, adicionales al precio de compra de un equipo y que deben ser considerados en la adquisición de cualquier producto eléctrico, son los siguientes:  Costos de la preparación del sitio (requerimientos de espacio, aire acondicionado, etc.).  Costos de instalación. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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 Mantenimiento.

 Costos de operación, considerando la eficiencia para las condiciones de operaciones actuales.  Refacciones y partes de repuesto.

 Disponibilidad de servicio al equipo y costo de la indisponibilidad.  Consultoría (si está disponible).

 Requerimientos de equipo reductor de disturbios. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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Los costos de compra de cualquier equipo

reductor de disturbios deben sopesarse en el grado de

protección

requerida.

Por

ejemplo:

en

aplicaciones no críticas, tal vez no sea necesario conectar una fuente ininterrumpible para proteger contra interrupciones del sistema.

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Frecuencia relativa con que se presentan los problemas de calidad de la energía.

 Comúnmente, la fuente de un disturbio se encuentra en las instalaciones o edificios es de los usuarios. Recientes estudios hechos en Estados Unidos indican que el 90% de las causas de los problemas en la calidad de la energía son originados por el usuario por el uso de equipo que produce disturbios, alambrado y conexión a tierra impropios o mala aplicación del equipo. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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 La tendencia en general puede determinarse por comparición con resultados registrados. Estos resultados son bastante inconsistentes, en cierto modo por la diferencia entre la muestra y la técnica de análisis utilizada. Adicional a esto, los resultados de exámenes no consideran factores como son: conexión a tierra la presencia de armónicas y muchos otros disturbios en el suministro de la energía.

 Unos de los análisis más comúnmente utilizados en los estudios de la calidad de la energía es el desarrollo por ALLEN YSEGALL, en un periodo de 83

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dos años y en varias localidades de Estados Unidos, éstos incluían tiendas de servicio, industrias, edificios de oficinas y áreas residenciales, con los resultados que a continuación se muestran. Tabla 1.1

Disturbios de energía en sistemas de cómputo.

Disturbio

Oscilación transitoria Picos de voltaje

Caídas de voltaje Sobrevoltaje

Falta de energía CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

Promedio mensual

62.06 50.7 14.4 0 0.6

%

48.8 39.5 11.2 0 0.5

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 Otro análisis bastante popular en los estudios de la calidad de la energía fue desarrollado por GOLDSTEIN Y SPERANZA, para este estudio los disturbios de energía fueron registrados por un periodo de dos años y medio, en 24 puntos distribuidos geográficamente en laboratorios de computadoras de la empresa BELL.  La información para los estudios de ALLEN/SEGAL y GOLDSTEIN/SPERANZA fue tomada de los registros de disturbios de energía, que son una mezcla de problemas con entrada y salida 85 de generadores locales.

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 Existen considerables diferencias en la calidad de la energía en la ubicación, así como de la localidad. Esto es debido a un gran número de factores involucrados, como lo es el equipo de usuario y las prácticas de cableado, efectos en la energía que producen los clientes aledaños, así como la ubicación geográfica y condiciones meteorológicas.  Las localidades que cuentan con una pequeña fuente de alimentación o un trasformador que suministra a un determinado número de usuarios, como lo son los centros comerciales y edificios grandes, con prácticamente propensos a problemas86

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de calidad en la energía. Estos es debido a que los disturbios y cargas sensibles comparten la misma fuente de alimentación, aunado a esto, las cargas individuales pueden representar una porción grande de la totalidad de la energía suministrada a un edificio. Así que los cambios en el voltaje pueden ser muy significativos cuando estas cargas entran y salen.  Frecuentemente, los usuarios causan inconscientemente sus propios problemas de calidad, al operar equipo que produce disturbios en 87 las cercanías del equipo de cómputo.

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La protección contra fallas en sistemas de distribución de energía eléctrica de las empresas suministradoras

 El resultado de una falla se puede presentar como una tensión y/o y una sobrecorriente en un sistema de distribución debido principalmente a causas primarias como descargas atmosféricas, efectos de construcciones, accidentes, fuertes vientos, árboles o animales y vandalismo, que afectan los conductores. Estas son normalmente detectadas por los relevadores de sobrecorriente que inicializan la 88 operación de equipo para liberar la falla.

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 Las fallas se pueden clasificar en general como temporales y permanentes.

 Las fallas temporales son aquellas ocasionadas momentáneamente, como por ejemplo, por contacto de árboles, descargas atmosféricas y presencia de animales.  Las fallas permanentes son aquellas que requieren de mayor tiempo para reparación, mantenimiento o reemplazo de equipo antes de ser energizadas nuevamente. El equipo de seccionalización automático, cuando se usa, desconecta la parte dañada del sistema par minimizar así el número de usuarios 89 afectados.

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 Los sistemas de distribución incluyen una serie de dispositivos, como son los relevadores, interruptores, restauradores, fusibles y seccionalizadores, que liberan las fallas. Los restauradores e interruptores restablecen el servicio en forma inmediata después de una falla transitoria. No así los cortacircuitos que han operado y que se les debe reponer el fusible antes de ser establecidos.

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Los dispositivos de protección pueden reducir el número de usuarios afectados por una falla, reducen el tiempo de interrupción por fallas temporales y ayudan a localizar las fallas, disminuyendo la duración de la interrupción.

 Los restauradores e interruptores abren el circuito con señal de sobrecorriente para prevenir el flujo de corriente y recierran después de un corto lapso de tiempo. Si la falla no desaparece después de la operación de un recierre, puede ocurrir un ciclo de apertura y cierre, o bien, quedar el circuito abierto. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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Técnicas de atenuación de los problemas.

Los elementos de calidad de la energía claves para atenuar los problemas en la calidad del suministro son:  Una conexión instalaciones.

a

tierra

apropiada

para

las

 La selección y aplicación del equipo atenuador efectivo.

 La consideración de una fuente externa de disturbio en la instalación o instalaciones, sólo se hace después de que el comportamiento eléctrico interno ha sido completamente verificado, vía medición y/o estudios. 92

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Los circuitos dedicados

 Un circuito dedicado es un simple circuito con una carga. Es una técnica de distribución relativamente barata que puede reducir un ruido.

 La capacidad de un circuito dedicado para resolver problemas en la calidad de la energía depende de su localización, impedancia y otros factores. Para obtener la más baja impedancia posible, teóricamente la carga del circuito deberá estar tan cerca como sea posible de la acometida del CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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servicio, de cualquier forma esto puede agravar la situación si los transitorios tienen un problema, ya que pueden viajar más libremente a través del sistema.

 Para mejorar la operación del circuito, el neutro y los cables para conexión a tierra, deberán ser del mismo calibre que el conductor de corriente.

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Algunos consejos y precauciones

 Los circuitos derivados resuelven sólo problemas locales.  Una instalación inapropiada con alambrado de la conexión a tierra aislada en las tomas de corriente es una causa común de problema de calidad en la energía.

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El equipo atenuador de problemas de calidad de la energía

 Existe una amplia variedad de productos que están disponibles para ayudar en la atenuación de los disturbios en las líneas eléctricas.  Se debe poner atención en la selección apropiada del equipo de atenuación efectiva. Una aplicación inapropiada de estos productos, puede ser una causa común de problemas en la calidad de la energía. CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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Antes de seleccionar un producto, el cliente deberá tener un buen entendimiento de la causa del problema, así como las características del equipo disponible.  Un apropiada funcionamiento del sistema puede ser afectado adversamente por cualquier cambio en el comportamiento eléctrico, por ejemplo, un cambio de carga en la instalación. Por lo tanto, el equipo atenuador que fue efectivo una vez, pueda fallar para proteger el equipo sensible después de que un cambio semejante ocurra. 97

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Cuando se seleccione el equipo que tenga una pérdida operacional por calor, lo cual es indicado por una eficiencia menor al 100%, éste puedo proveerse de un sistema adecuado de aire acondicionado, si el equipo es localizado o ubicado en una sala o cuarto de cómputo.

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Figura 1.13

Aplicaciones de estabilizadores de voltaje.

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Figura 1.14

100

Formas de supresión se ondas y ruido en las instalaciones para lograr mayor calidad

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2. VARIACIONES DE VOLTAJE, LAS ARMÓNICAS Y LOS TRANSITORIOS

2.1 Tipos de Perturbaciones sistemas eléctricos.

en

los

Hablando técnicamente, la confiabilidad como tal está asociada el tipo y número de disturbios que se presenten en la red eléctrica, estos problemas con muy variados y pueden tener causas muy diversas, tal como se describe a continuación:

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2.1.1 Transitorios (Cambios repentinos en las condiciones de la red) Impulso.

Es un cambio repentino de potencia a una frecuencia distinta de la fundamental, es unidireccional en su polaridad (+ ó -). Normalmente son caracterizados pos sus tiempos de cresta y cola, la causa más común con las descargas atmosféricas. Ellos involucran altas frecuencias, por esto son conducidos a largas distancias desde su fuente, pueden excitar la resonancia de los circuitos y producir 102 transitorios oscilatorios.

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Figura 2.1

Corriente producida por una descarga atmosférica CURSO: CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

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Oscilatorios.

Son transitorios cuyo calor instantáneo de voltaje cambia rápidamente de polaridad. Siempre son ocasionados por maniobra de equipos, tales como desconexión de líneas, bancos de capacitores; cada uno de ellos tiene un rango de tiempo y de frecuencia característica, tal como se muestra en la Tabla 2.1

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Tabla 2.1

Categoría

Clasificación de los transitorios oscilatorios

Baja frecuencia Media Frecuencia Alta frecuencia

Magnitud