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• Elíaz Díaz Montano

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ANALISIS DE CIRCUITOS ELECTRICOS ELIAS DIAZ MONTANO IEEE RECOMMENDED PRACTICE FOR MONITORING ELECTRIC POWER QUALITY IEEE Std 1159-1995 Calidad de la energía en sistemas de potencia El termino calidad de la energía hace referencia a todos los fenómenos electromagnéticos que caracterizan el voltaje y la corriente en un tiempo y ubicación determinada en el sistema eléctrico de potencia. Como consecuencia del uso masivo de equipo electrónico los cuales causan o son extremadamente sensibles a disturbios en dichas cantidades, el termino calidad de la energía se ha vuelto de especial interés en la actualidad. Categorías de fenómenos electromagnéticos:  

  

Transitorios a) Impulso b) Oscilatorios Variaciones de corta duración a) Sag b) Swell c) Interrupciones Variaciones de larga duración a) Sobre voltaje b) Bajo voltaje Desequilibrio de voltaje Distorsión de formas de onda a) Compensación de corriente directa b) Armónicas c) Interarmónicas d) Muescas e) Ruido

Transitorios El término transitorio ha sido ampliamente utilizado en el análisis de sistemas de potencia, una de las primeras definiciones hace uso de la palabra “rapid” (súbito) con frecuencias arriba de los 3 MHz, por otra parte IEEE Std 100-192 define la palabra transitorio como una onda transitoria de corriente, potencial o potencia en un circuito eléctrico, clasificándola en dos categorías principales: I.

Impulso Dicha categoría se subdivide de acuerdo a la duración del evento: a) Nanosegundos

¿ 50 ns

b) Microsegundos

50 ns−1ms

c) Milisegundos II.

¿ 1ms

Oscilatorio Los transitorios de tipo oscilatorio son subdivididos de acuerdo a la frecuencia de la onda:

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ANALISIS DE CIRCUITOS ELECTRICOS ELIAS DIAZ MONTANO a) Baja frecuencia b) Media frecuencia c) Alta frecuencia

(¿ 5 kHz)

con una duración de

0.3−50 ms

(5−500 kHz) con una duración de (0.5−5 MHz ) con una duración de

20 μs

5 μs

Impulso transitorio Un impulso transitorio se caracteriza por ser repentino, sin cambio en la frecuencia durante la condición de estado estable del voltaje, corriente o ambos, desarrollándose unidireccionalmente en cuanto a la polaridad pudiendo ser negativo o positivo, pero nunca cambiando de una a otra. El transitorio del tipo impulso queda totalmente determinados por su amplitud, tiempo de retardo y su contenido espectral, un ejemplo común de este tipo de transitorio es el relámpago.

Figura 1. Corriente de un rayo resulta en un transitorio de tipo impulso en el sistema de potencia.

Como consecuencia de las altas frecuencias con las que se da el impulso, dicho transitorio es rápidamente amortiguado por los componentes del circuito resistivo por esta razón no es conducido muy lejos de la fuente que produjo dicho fenómeno.

Transitorio oscilatorio Un transitorio oscilatorio de voltaje o corriente se caracteriza por ser una onda que experimenta cambios de polaridad instantáneos, dicho fenómeno es definido por su contenido espectral, duración y magnitud pudiendo ser a su vez de baja, media o alta frecuencia. Transitorios oscilatorio con una componente de frecuencia primaria mayores a 500 kHz y una duración típica de microsegundos o varios ciclos son

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ANALISIS DE CIRCUITOS ELECTRICOS ELIAS DIAZ MONTANO considerados como transitorios de alta frecuencia, cabe destacar que este tipo de fenómenos electromagnéticos en su mayoría son debidos a maniobras de conmutación, por otra parte a menudo un transitorio oscilatorio de alta frecuencia es el resultado de la respuesta del sistema eléctrico ante la presencia de un transitorio de tipo impulso. Las fuentes comunes de este tipo de fenómenos a menudo son dispositivos electrónicos de potencia resultado de la conmutación de los mismos con el sistema eléctrico, por otra parte la energización de bancos capacitivos trae consigo transitorios de tipo oscilatorios, dicho fenómeno se presenta cuando se pretende poner en funcionamiento un nuevo banco capacitivo en un sistema eléctrico en donde exista un banco de compensación reactiva ya energizado, el banco de capacitores vera al nuevo banco como un camino de baja impedancia provocando una respuesta del tipo oscilatorio.

Figura 2. Transitorio oscilatorio causado por la conmutación de un banco de capacitores La energización de un banco capacitivo típicamente resulta en un transitorio oscilatorio de voltaje con una frecuencia primaria de entre 300 a 900 Hz, pudiendo tener un pico de voltaje de hasta 2 p.u. aunque típicamente el voltaje ronda entre 1.3 y 1.5 p.u. con una duración entre 0.5 y 3 ciclos.

Figura3. Transitorio oscilatorio causado energización de un banco capacitivo

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ANALISIS DE CIRCUITOS ELECTRICOS ELIAS DIAZ MONTANO Transitorios oscilatorios con frecuencias principales menores que 300 Hz pueden ser encontradas en sistemas de distribución eléctrica asociadas generalmente con la ferro resonancia y energización de algún transformador.

Figura4. Transitorio oscilatorio de baja frecuencia causado por ferro resonancia. Variaciones de corta duración Esta categoría de fenómenos electromagnéticos se caracteriza por decrementos, incrementos o pequeñas interrupciones en el suministro eléctrico las cuales pueden clasificarse como instantáneas, momentáneas o temporales. Las variaciones cortas de voltaje a menudo son causadas por condiciones de falla, energización de grandes cargas las cuales requieran altas corrientes de arranque o por pérdidas en la conexión principal de alimentación eléctrica. Dependiendo de la localización de la falla, se pueden presentar aumentos o decrementos temporales de voltaje o incluso la pérdida total del voltaje. Interrupciones Se considera como una interrupción cuando el voltaje de suministro decrece a un valor 0.1 p.u. durante un periodo de tiempo no mayor a 1 minuto. Dichas interrupciones pueden ser resultados de fallas en el sistema de potencia, fallas en equipos y averías en los equipos de control. La siguiente figura muestra una interrupción momentánea en la cual el voltaje decrece durante un alrededor de 2.3 segundos.

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ANALISIS DE CIRCUITOS ELECTRICOS ELIAS DIAZ MONTANO Figura5. Interrupción momentánea debida a falla. La siguiente figura muestra la forma de onda en porcentaje del voltaje durante una interrupción del mismo, se puede notar como este valor no cae inmediatamente a cero debido a que existe un voltaje residual generado por motores de inducción.

Figura6. Interrupción momentánea debida a falla. Sags (Dips) Esta falla se caracteriza cuando el voltaje de línea cae un 20% respecto al valor nominal con una duración entre 2 milisegundos a un par de minutos, estos decrementos en las magnitudes de tensión a menudo son causados por la conmutación de cargas grandes o durante el arranque de motores de gran capacidad.

Figura7. Caída instantánea de voltaje. Generalmente se presentan durante arranque de motores de gran tamaño ya que las corrientes de arranque llegan a ser de 6 a 10 veces la corriente a plena carga. Swells 5

ANALISIS DE CIRCUITOS ELECTRICOS ELIAS DIAZ MONTANO Este tipo de fenómeno electromagnético se caracteriza cuando los valores rms del voltaje o corriente aumentan entre 1.1-1.8 pu con una duración desde 0.5 ciclos hasta el 1 minuto. Este tipo de fenómeno puede ocurrir cuando existe alguna falla de fase a tierra la cual resulta en un incremento en los valores de voltaje en las fases que no fallaron pudiendo llegar hasta un valor de 1.73 pu, por otra parte estos incrementos se pueden presentar durante la conmutación de bancos de compensación reactiva o conexión de cargas de gran tamaño. Variaciones de larga duración Se considera como una variación de larga duración cuando existen desviaciones en los valores rms del voltaje con duraciones mayores a 1 minuto, estas variaciones pueden ser las siguientes: I.

Sobre voltaje: Este tipo de fenómeno puede presentar debido a la conmutación de grandes cargas eléctricas y variaciones en las magnitudes de compensación reactiva.

II.

Bajo voltaje: Se presentan en la energización de cargas eléctricas de gran tamaño o durante la salida de funcionamiento de bancos de capacitores.

Las interrupciones sostenidas forman parte de las variaciones de larga duración, las cuales se caracterizan por pérdida total del voltaje durante un periodo mayor a 1 minuto. Desequilibrio de voltaje Este tipo de fenómeno electromagnético se define como la relación de la componente de secuencia negativa o cero a la correspondiente componente de secuencia positiva. El desequilibrio puede ser estimado como la máxima desviación de los valores de voltaje con respecto al valor promedio de los mismos en un sistema trifásico expresado en porcentaje. Distorsión de la forma de onda La distorsión de onda de voltaje o corriente con respecto a la onda sinusoidal ideal es caracterizada por su contenido espectral, existen principalmente 5 tipos de distorsión: a) b) c) d) e)

DC offset (Compensación de corriente directa) Harmonics (Armónicas) Interharmonics (Interarmónicas) Notching (muescas) Noise (Ruido)

Armónicas

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ANALISIS DE CIRCUITOS ELECTRICOS ELIAS DIAZ MONTANO Las armónicas son formas de onda voltajes o corrientes sinusoidales con frecuencias múltiplos a la fundamental (60Hz), las cuales sumadas con la fundamental provocan la distorsión de la onda. La distorsión armónica es consecuencia de la existencia de cargas no lineales en la red eléctrica, dicho fenómeno electromagnético queda completamente caracterizado por el espectro, magnitud y ángulo de fase de las componentes armónicas, comúnmente representados mediante una magnitud llamada distorsión total armónica.

Figura8. Forma de onda de corriente distorsionada. Interarmónicas Este tipo de fenómeno puede ser encontrado en redes de cualquier nivel de voltaje, las fuentes principales de interarmónicas son:   

Convertidores estáticos de frecuencia Motores de inducción Equipos de arco

Hoy en día los efectos que causan este tipo de fenómenos al sistema eléctrico no son bien conocidos, aunque se sabe que inducen flicker en los display de los equipos eléctricos.

Notching (Muescas) Se caracteriza por disturbios periódicos en las formas de onda de voltaje durante la operación normal de equipos electrónicos, generalmente cuando la

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ANALISIS DE CIRCUITOS ELECTRICOS ELIAS DIAZ MONTANO corriente es conmutada de una fase a otra, representando un caso especial de falla entre los transitorios y la distorsión armónica.

Figura9. Forma de onda con disturbios periódicos.

Noise (Ruido) El ruido se presenta en el sistema eléctrico con anchos de banda menores a los 200 kHz superpuesto en la onda de voltaje o corriente de fase. Generalmente es resultado del uso de equipos electrónicos, equipos de arco, cargas con rectificadores de estado sólido así como durante la conmutación de diversas cargas. Cabe destacar que el rango de frecuencia del ruido eléctrico depende de la fuente, por otra parte típicamente la magnitud del mismo es menor al 1% de la magnitud del voltaje. Fluctuaciones de voltaje Son variaciones sistemáticas en los valores de tensión eléctrica en rangos típicos de entre 0.95 y 1.05 pu.

Variación de frecuencia La variación en la frecuencia está directamente relacionada con la velocidad de rotación de los generadores que alimentan al sistema eléctrico. En cualquier instante la frecuencia depende de un balance entre la carga y la capacidad disponible de generación misma de la máquina, cuando se sobrepasa la capacidad del generador pequeños cambios en la frecuencia se pueden dar. En algunos casos, el gobernador del generador responde abruptamente a los cambios en la carga eléctrica provocando que no exista una adecuada regulación de la frecuencia, cabe destacar la maquinaria rotatoria es sensible a las variaciones en la frecuencia, por ejemplo un motor variara su velocidad y torque si experimentase algún cambio repentino en los valores de frecuencia.

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