Medición y reglamentación de la calidad de la onda de

Transcripción

1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE 0502 Proyecto Eléctrico Medición y reglamentación de la calidad de la onda de tensión en el Sistema Eléctrico Nacional Por: Juan Carlos Quesada Lacayo. Julio del 2005

2 ii Medición y reglamentación de la calidad de la onda de tensión en el Sistema Eléctrico Nacional Por: Juan Carlos Quesada Lacayo Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA

3 iii Aprobado por el Tribunal: M.Sc. Ing. Eduardo Ortiz Oviedo Profesor Guía Dr. Eddie Araya Padilla Profesor Lector M.Sc. Emilio Alpízar Villegas Profesor Lector

4 iv DEDICATORIA A Dios a quien debo todo lo que soy. A mis padres por todo su apoyo.

5 v RECONOCIMIENTOS Un agradecimiento en especial a los ingenieros Juan Carlos Montero, Rolando Sancho, Anabelle Zaglul y Fabián Rodríguez del Laboratorio de Simulación de Sistemas de Potencia. Al ingeniero Manuel Barboza de la sección de Conservación de la Energía. A mi profesor guía y profesores lectores.

6 vi ÍNDICE GENERAL CAPÍTULO 1: Introducción Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Metodología...2 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico Calidad de la energía Descripción detallada de cada fenómeno Transitorios Variaciones de corta duración Huecos de tensión Picos de tensión Variaciones de larga duración Desequilibrios de tensión Distorsiones de onda Capítulo 3: Normativa sobre la Calidad de Tensión Normativas nacionales de calidad energía Normas del ARESEP Observaciones a la norma AR-NTCVS Norma técnica AR-NTGT Normas en distintos países Reglamentos eléctricos chilenos Reglamentos servicios públicos mexicanos Reglamentos eléctricos españoles Normas Internacionales Normas Europeas EN Métodos de medición de fenómenos que afectan la calidad de la energía. Norma internacional IEC Intervalos de medición Medición de la frecuencia del sistema de potencia Medición de la magnitud de la tensión de suministro Medición de huecos y picos de tensión... 38

7 Mediciones de transitorios Armónicas Estándares internacionales para regulación de fenómenos armónicos Curvas: CBEMA ITIC, ANSI, SEMI Historia de la curva CBEMA - ITIC Notas de aplicación de la curva ITIC Curva SEMI Ingreso de fenómenos transitorios oscilatorios en la curva ITIC Capítulo 4: Mediciones y simulaciones Nota teórica Antecedentes al estudio de los medidores de Calidad de energía Mediciones reales Energización banco 12 MVAr de la subestación de San Miguel Energización del transformador en la subestación Heredia Ejecución de las pruebas por simulador Objetivos de las pruebas Descripción de la metodología de prueba Descripción de los Equipos Esquema de conexión de los medidores al simulador Simulaciones Primera simulación: comparación de un evento transitorio real y otro provocado en el simulador Segunda prueba mediante simulación: Variación del umbral de detección de eventos transitorios Tercera prueba mediante simulación: Huecos de tensión Cuarta prueba mediante simulación: Transitorio en diferentes partes de la onda de tensión CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones...96 BIBLIOGRAFÍA APÉNDICES Apéndice A: Reportes de eventos reales Apéndice B: Reportes de eventos utilizando el simulador vii

8 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1: Transitorio impulsivo en una señal de tensión... 7 Figura 2.2: Transitorio oscilatorio producido al energizar un banco de capacitores... 9 Figura 2.3: Interrupción corta Figura 2.4: Características de un hueco de voltaje instantáneo Figura 2.5: Pico de tensión instantáneo Figura 2.7: Representación de la serie de Fourier en una onda distorsionada Figura 2.8: Variación en la tensión THD durante un periodo de una semana en un alimentador residencial Figura 2.9: Forma de onda de la corriente y espectro armónico de un ASD Figura 2.10: Ejemplo de una tensión notching ocasionada por un convertidor Figura 2.11:Flujo de potencia activa en la línea de interconexión con Nicaragua. Simulación de las variaciones de potencia causadas por el horno de arco de Guatemala Figura 2.12: Ejemplo de fluctuación de tensión ocasionada por un horno de fundición de arco Figura 3.1: Ilustración de una caída de tensión y una interrupción corta Figura 3.2: Relación entre características de los disturbios y sus efectos en el equipo. Antecesor de la curva CBEMA Figura 3.3: Comparación entre la curva CBEMA y la curva ITIC Figura 3.4: Curva ITIC Figura 3.5: Comparación entre la a) curva ITIC, b) curva ANSI Figura 3.6: Límite permisible para huecos de tensión según la curva SEMI E Figura 3.7:Comparación entre la curva SEMI E10, la curva CBEMA y la curva ITIC en el límite permisible de los huecos de tensión Figura 3.8: Ingreso de transitorios oscilatorios en la curva ITIC Figura 3.9: Criterios para definir la duración de un transitorio Figura 4.1: Circuito LC Figura 4.2: Prueba para averiguar el modelo de carga en la subestación San Miguel Figura 4.3: Transitorio oscilatorio generado en la barra de 34.5 kv al energizar el banco de 12 MVAr en la subestación San Miguel Figura 4.4: Forma en la cual el ION7600 caracteriza un transitorio Figura 4.6: Determinación de la duración del transitorio al conectar el banco de San Miguel utilizando diferentes criterios Figura 4.6: Ingreso en la curva CBEMA del transitorio al conectar el banco de capacitores de San Miguel Figura 4.7:Visualización de la oscilación de doble frecuencia al energizar el banco en la subestación de San Miguel Figura 4.8: Espectro de frecuencias para la fase R en el momento de la conexión del banco de capacitores en la subestación San Miguel Figura 4.9: Ingreso a la curva CBEMA del transitorio oscilatorio utilizando como criterio la frecuencia viii

9 Figura 4.10: Transitorio al introducir el transformador 2 en la subestación Heredia Figura 4.11: Transitorio originado al conectar la carga al transformador 2 en la subestación Heredia Figura 4.12: Ampliación de la zona donde ocurrieron los transitorios al conectar la carga al transformador 2 de la subestación Heredia Figura 4.13: Puntos de la onda de tensión donde se provocaron transitorios oscilatorios al conectar el banco de capacitores en la subestación Figura 4.14: Variación del umbral de captura de eventos transitorios en los equipos de medición...75 Figura 4.15: Consecuencia en la ubicación de transitorios a causa de la variación en el umbral Figura 4.16: Esquema de conexión de los equipos para realizar las pruebas utilizando el Hypersim Figura 4.17: Simulador Hypersim acoplado mediante el amplificador OMICRON a los medidores NEXUS 1252, ION7600 y POWER LOGIC Figura 4.17: Diagrama unifilar equivalente de la subestación San Miguel implementado en Hypersim Figura 4.18 : Comparación en la forma de onda de un transitorio oscilatorio Figura 4.19: Gráfica de la onda de tensión para las tres fases y su respectivo espectro en frecuencia para la fase Figura 4.20: Introducción a la curva CBEMA de los transitorios de la figura 4.19, utilizando su frecuencia de oscilación Figura 4.21: Configuración utilizada en Hypersim para simular huecos de tensión Figura A.1: Reporte en CBEMA del transitorio ocasionado al energizar el banco de capacitores de la subestación San Miguel generador por el ION Figura A.2: Reporte en CBEMA para el transitorio en la subestación Heredia Figura B1: Resultados en la curva CBEMA de la prueba de variación del umbral según el equipo ION Figura B2: Curvas CBEMA reportadas por los medidores ION7600 y NEXUS 1252 para la simulación de huecos de tensión Figura B3: Hueco de tensión con un tiempo programado de accionamiento del interruptor de 100 ms Figura B4: Hueco de tensión con un tiempo programado de accionamiento del interruptor de 8.33 ms Figura B5: Curva CBEMA en la prueba de transitorios en dif. puntos de la onda de tensión 114 Figura B6: Simulación transitorio provocado en el pico positivo fase Figura B7: Simulación transitorio punto intermedio del pico positivo y cruce por cero en la fase Figura B8: Simulación transitorio provocado en el cruce por cero en la fase Figura B9:Captura de la forma de onda de tensión, tensión rms y corriente para la fase 1 utilizando el programa Spectrum ix

10 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1: Principales fenómenos que afectan la calidad de la energía en un sistema eléctrico... 5 Tabla 2.2: Categorías y características típicas de fenómenos electromagnéticos en un sistema de potencia según IEEE... 6 Tabla 3.1: Definiciones de los fenómenos que afectan la calidad de la energía según la ARESEP Tabla 3.2: Variaciones de tensión de corta duración según ARESEP Tabla 3.3: Límites de variación y tolerancia máxima para la tensión rms a diferentes magnitudes de tensión según la norma AR-NTGT Tabla 3.4: Umbrales para frecuencia en los reglamentos chilenos Tabla 3.5: Características de la tensión de suministro en un sistema de distribución según la norma EN Tabla 3.6: Niveles de aceptables de distorsión en la señal de tensión según la IEEE Tabla 3.7: Límites de corriente armónica (Ih) en porcentaje de IL Tabla 3.8: Límites de distorsión armónica de corriente para usuarios conectados en redes generales de distribución Tabla 3.9: Niveles máximos permitidos de distorsión armónica para niveles de tensión superior o igual a los 69 kv Tabla 3.10: Niveles máximos permitidos de distorsión armónica para niveles de tensión inferior a los 69 kv Tabla 4.1: Duración del evento transitorio al conectar el banco de capacitores de la subestación de San Miguel utilizando diferentes criterios Tabla 4.2: Comparación de las duraciones de los huecos de tensión para los medidores ION7600, NEXUS 1252 acoplados al simulador Hypersim Tabla 4.3: Comparación de las magnitudes de los huecos de tensión para los medidores ION7600, NEXUS 1252 acoplados Tabla A.1: Reporte generado por el medidor ION7600 para un transitorio provocado al conectar el banco de capacitores de 12 MVAr de la subestación de San Miguel Tabla A.2: Reporte generado por ION7600 para los transitorios en la subestación Heredia Tabla B1: Reporte generado por el ION7600 para un transitorio provocado al conectar el banco de capacitores de 12 MVAr de la subestación de San Miguel utilizando el simulador Hypersim Tabla B2: Reporte generado por el ION7600 para la prueba de variación del umbral Tabla B3: Reporte generado por el Reporter para la prueba de variación del umbral Tabla B4: Reporte de simulación de huecos de tensión mediante el medidor NEXUS Tabla B5: Reporte de simulación de huecos de tensión mediante el medidor ION x

11 Tabla B6: Reporte de pruebas de huecos de tensión utilizando el programa Reporter para el medidor ION Tabla B7: Magnitudes de los diferentes huecos de tensión calculadas en Spectrum para la prueba con los medidores ION7600 y NEXUS Tabla B8: Duraciones máximas para la respectiva fase en Spectrum en la prueba de huecos de tensión Tabla B9: Reporte del ION7600 en la prueba de transitorios en distintas partes de la onda Tabla B10: Reporte del medidor ION7600 para la prueba de transitorios en diferentes partes de la onda de tensión utilizando el programa Reporter xi

12 xii NOMENCLATURA SEN SNI LSSP ICE UEN PYSA ARESEP IEEE IEC ITIC CBEMA THD TDD ASD SEMI PCC Sistema Eléctrico Nacional Sistema Nacional Interconectado Laboratorio de Simulación de Sistemas de Potencia Instituto Costarricense de Electricidad Unidad Estratégica de Negocios Proyectos y Servicios Asociados Autoridad Reguladora Servicios Públicos Institute of Electrical and Electronics Engineers International Electrotechnical Commission Information Technology Industrial Council Computer and Business Equipment Manufacturers Association Distorsión armónica total Distorsión demandada total Controlador de velocidad ajustable Semiconductor Equipment and Materials Internacional Punto de acople común

13 xiii RESUMEN La presente investigación se enfoca en el tema de calidad de la energía. En su primera parte correspondiente al marco teórico se aclaran y definen términos relacionados con los fenómenos que afectan la calidad de la energía en un sistema eléctrico. Posteriormente se analizan la reglamentación de Costa Rica en cuanto a esta temática y se enumeran normas de países como México, Chile y España. La tercera sección de este trabajo se enfoca en algunas normas internacionales de calidad de energía como lo son la EN 50160, IEC que brinda algunos métodos de medición, y la curva CBEMA. Luego se analizan algunas mediciones reales utilizando el medidor ION7600, para pasar luego a lo innovador de este proyecto como lo fue el uso del simulador de tiempo real Hypersim en el estudio de dos fenómenos de calidad de energía como los transitorios y los huecos de tensión. Para estos últimos se realizaron diversas pruebas con dos medidores como los fueron el ION7600 y el NEXUS 1252 los cuales fueron acoplados al simulador. Los resultados obtenidos reflejan la fortaleza de Hypersim para realizar estos estudios, subrayando que es la primera ocasión en que se realiza algo similar. Además se encontraron limitaciones de parte de los medidores en cuanto a la medición de fenómenos transitorios, y la exactitud que presentan para medir huecos de tensión. En los apéndices A y B se presentan todos los reportes completos extraídos de los equipos y diversas gráficas extraídas directamente de los equipos y del programa Spectrum.

14 1 CAPÍTULO 1: Introducción El aumento en las aplicaciones de equipo electrónico sensible durante las últimas décadas ha generado un creciente interés en el tema de calidad de la energía. Sin embargo dicho tema es relativamente nuevo, por lo que aún hoy día los métodos de medición y reglamentación de los fenómenos electromagnéticos que afectan la calidad de la energía de un sistema eléctrico no están del todo claros. Es a raíz de esta situación que se realizó la presente investigación, con el objetivo de analizar y aclarar la reglamentación actual a nivel nacional, y analizar la manera en que miden algunos de los equipos instalados en diferentes puntos del Sistema Eléctrico Nacional (SEN). Para innovar la investigación dichos análisis se realizaron utilizando técnicas de simulación en tiempo real por medio del simulador Hypersim perteneciente al Laboratorio de Simulación de Sistemas de Potencia (LSSP) del Instituto Costarricense de Electricidad (ICE). 1.1 Objetivos El desarrollo del proyecto se basó en el cumplimiento de las siguientes metas Objetivo general Analizar la reglamentación y metodología para medir fenómenos transitorios, armónicos huecos y picos de tensión en el Sistema Eléctrico Nacional mediante equipos de medición trifásicos.

15 Objetivos específicos 1. Realizar una descripción detallada de los fenómenos electromagnéticos documentados en los diferentes estándares, que afectan la calidad de la energía de un sistema de potencia. 2. Analizar la regulación a nivel nacional e internacional de transitorios ocasionados por maniobras de compensación de potencia reactiva. 3. Describir las curvas CBEMA-ITI, SEMI, ANSI, aclarando la forma en que se deben introducir los transitorios oscilatorios descritos en los estándares IEEE. 4. Estudiar la forma en que miden los fenómenos transitorios, armónicas, huecos y picos de tensión algunos equipos de medición utilizados en los sistemas de potencia. 5. Aplicar técnicas de simulación real para el estudio de dichos equipos de medición. Establecer por medio de esta información una metodología de ajuste de dichos equipos. 6. Proponer una configuración óptima a nivel de interfase con el usuario, para un medidor de calidad de la energía. 1.2 Metodología La metodología utilizada y descrita a continuación contempla la fase de recolección de información teórica, análisis de la teoría y la parte práctica basada en las técnicas de simulación aplicadas al estudio de los medidores. En la parte teórica: 1. Se recolectó información a partir de libros relacionados con el tema de calidad de la energía. Se consultaron estándares emitidos por diferentes organizaciones como la IEEE (Institute of

16 3 Electrical and Electronics Engineers) y la IEC (International Electrotechnical Commission) y se realizó una descripción detallada de los fenómenos electromagnéticos que afectan la calidad de la energía en una red. 2. Teniendo como fundamento dichos estándares se analizó la reglamentación a nivel nacional basada en las normas de calidad de la energía emitidas por la ARESEP (Autoridad Reguladora Servicios Públicos). En la parte práctica: 3. Se realizaron pruebas mediante simulación del S.E.N utilizando las salidas analógicodigitales del simulador digital en Tiempo Real Hypersim, amplificándolas mediante el OMICRON y conectando los equipos de medición a las salidas de este último dispositivo. Con esta configuración se capturaron por medio de los medidores fenómenos transitorios, huecos y picos de tensión. Los datos obtenidos en los medidores fueron utilizados para realizar los análisis respectivos que llevaron a evaluar la manera en que dichos dispositivos miden los diferentes fenómenos. 4. Se obtuvo información de mediciones reales en campo y se compararon con las mediciones obtenidas por medio de los simuladores. 5. Se graficaron dichos fenómenos en una curva CBEMA, y se repitieron las pruebas con diferentes configuraciones del equipo para detectar dependencia entre el ajuste de los medidores y la variación en la ubicación de los fenómenos en dicha curva. 6. Se estableció una metodología de ajuste de dichos equipos de medición a partir de los resultados obtenidos en dichas pruebas.

17 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico 4 Durante este capítulo se realizará una descripción detallada de los fenómenos electromagnéticos que afectan la calidad de la energía de un sistema eléctrico de potencia. 2.1 Calidad de la energía El término calidad de energía se puede definir como la ausencia de perturbaciones en las señales de tensión y corriente, y que pueden ocasionar sobre o bajo tensiones e interrupciones en dichas señales, ocasionando en algunos casos variaciones en la tensión efectiva (rms). El aumento en las aplicaciones de equipo electrónico sensible ha generado un creciente interés en el tema de calidad de la energía, con lo que a la vez se han desarrollado términos relacionados de los cuales aún no existe concordancia en los diferentes sectores de la industria, lo que se presta para confusiones. A continuación se pretende aclarar, definir y clasificar diversos términos utilizados en la descripción de fenómenos relacionados con el tema de calidad de la energía. La IEEE clasifica los fenómenos que afectan la calidad de la energía de un sistema dentro de algunos grupos como se presenta en la tabla 2.1.

18 5 Tabla 2.1: Principales fenómenos que afectan la calidad de la energía en un sistema eléctrico Armónicas, interarmónicas Señales del sistema Fluctuaciones de tensión Caídas de tensión e interrupciones Fenómenos conducidos de baja frecuencia Desequilibrios de tensión Variaciones de frecuencia Voltajes inducidos de baja frecuencia DC en redes de AC Campos magnéticos Fenómenos de radiación de baja frecuencia Campos eléctricos Voltajes o corrientes inducidas Fenómenos conducidos de alta frecuencia Transitorios unidireccionales Transitorios oscilatorios Campos magnéticos Campos eléctricos Fenómenos de radiación de alta frecuencia Campos electromagnéticos Ondas continuas Transitorios Fenómenos de descarga electro estática Pulso electromagnético nuclear FUENTE: IEEE Std Los fenómenos enunciados en la tabla anterior pueden ser descritos por los siguientes atributos: para el caso de fenómenos de estado estable: amplitud, frecuencia, espectro, modulación, impedancia de fuente. Para el caso de fenómenos no estables o de estado transitorio otros atributos son requeridos: velocidad de elevación, amplitud, duración, espectro, frecuencia, velocidad de ocurrencia, energía potencial e impedancia de la fuente. 2.2 Descripción detallada de cada fenómeno La tabla 2.2 provee una descripción más detallada de cada fenómeno valiéndose de los atributos enunciados anteriormente. Las categorías enunciadas en dicha tabla son importantes a la hora de clasificar correctamente mediciones que describan los fenómenos que afecten la calidad de la energía en un determinado sistema.

19 6 Tabla 2.2: Categorías y características típicas de fenómenos electromagnéticos en un sistema de potencia según IEEE Categorías Contenido espectral típico Duración típica Magnitud típica de voltaje Impulsivos nanosegundos Sobre 5 ns < 50 ns Microsegundos Sobre 1 µ 50 ns 1 ms Transitorios Milisegundos Sobre 0.1ms > 1 ms Oscilatorios Baja frecuencia < 5 khz ms 0 4 pu Mediana frec khz 20 µs 0 8 pu Alta frecuencia MHz 5 µs 0 4 pu Instantáneas Hueco de pu tensión ciclos Pico de tensión pu ciclos Momentáneas 0.5 ciclos <0.1 pu Interrupciones 3 s Variaciones Hueco de 30 ciclos pu de corta tensión 3s duración 30 ciclos pu Pico de tensión 3s Temporales Interrupciones 3s 1 min < 0.1 pu Hueco de tensión 3s 1 min pu Pico de tensión 3s 1 min pu Variaciones Interrupciones sostenidas > 1 min 0 pu de larga Bajo nivel de tensión > 1 min pu duración Sobre nivel de tensión > 1 min pu Desequilibrio de voltaje Estado % estable Componente DC Estado 0 0.1% estable Armónicas th H Estado 0-20 % estable Distorsiones Estado 0 2 % Interarmónicas 0 6 khz de onda estable Notching Estado estable Ruido Estado 0 1 % estable Fluctuaciones de Voltaje < 25 Hz Intermitente % Variaciones de frecuencia < 10 s FUENTE: IEEE Std

20 7 A continuación se explicará detalladamente cada uno de estos fenómenos, haciendo énfasis en los transitorios, huecos y picos de tensión, los cuales fueron los fenómenos que se simularon utilizando el Hypersim Transitorios Los transitorios son distorsiones en la onda senoidal, con una duración entre los 50 ns hasta los 50 ms, llegando a magnitudes desde los cero a los ocho pu. Según la IEEE este tipo de distorsión se puede dividir en dos tipos: transitorios impulsivos y oscilatorios. Los transitorios impulsivos (figura 2.1) son los fenómenos de más corta duración. Suelen ser pulsos unidireccionales que se salen de las ondas senoidales de tensión, corriente o ambos, como se ilustra en la siguiente figura. Son ocasionados comúnmente por fenómenos atmosféricos como los rayos. Se deben caracterizar por medio de su valor pico y duración. Pueden generar resonancia en los sistemas de potencia produciendo transitorios oscilatorios. Figura 2.1: Transitorio impulsivo en una señal de tensión FUENTE: IEEE Std

21 8 Los transitorios oscilatorios (figura 2.2) son cambios instantáneos de polaridad en las señales de corriente o tensión. Se describen por medio de su frecuencia, duración y magnitud. Al igual que los transitorios impulsivos, los transitorios oscilatorios pueden ser medidos con o sin la componente de la frecuencia fundamental incluida. Cuando se caracteriza el transitorio es importante aclarar si se está o no incluyendo dicha componente fundamental. Según su frecuencia de oscilación los transitorios oscilatorios pueden dividirse en tres categorías: Los transitorios oscilatorios de alta frecuencia son aquellos donde su componente supera los 500 khz y duración típica de unos cuantos microsegundos. Son producidos casi siempre por eventos de conmutación en el sistema o en respuesta a algún transitorio impulsivo. Los transitorios oscilatorios de mediana frecuencia tienen componentes entre los 5 khz y los 500kHz, con una duración en el ámbito de los microsegundos. Suelen ser ocasionados por la energización de un banco de capacitores cerca de otro que este en operación. Los transitorios oscilatorios de baja frecuencia son aquellos en los cuales su componente de frecuencia no supera los 5 khz, y una duración entre los 0.3ms a los 50 ms. En los sistemas de sub trasmisión y distribución son ocasionados por diversos eventos, pero principalmente por energizaciones de los bancos de capacitores, que ocasionan componentes de frecuencia entre los 300 y los 900 Hz, con picos de tensión que pueden llegar a 2.0 pu, pero típicamente se mantienen entre los 1.3 a los 1.5 pu. La figura a continuación ilustra la distorsión en la onda fundamental de tensión cuando se energiza un banco de capacitores (utilizando métodos de simulación) produciéndose un transitorio oscilatorio. Los transitorios oscilatorios con

22 componente de frecuencias menores a los 300Hz suelen ser encontrados en sistemas de distribución, asociados comúnmente a ferro resonancia y energización de transformadores. 9 Figura 2.2: Transitorio oscilatorio producido al energizar un banco de capacitores FUENTE: LSSP, simulación mediante Hypersim utilizando equipo de medición ION Variaciones de corta duración. Esta categoría abarca los huecos y los picos de tensión (sag y swells), y las interrupciones cortas. Suelen dividirse en variaciones instantáneas, momentáneas o temporales (tabla 2.2). Estos fenómenos son ocasionados por condiciones de fallas o por energizaciones de grandes cargas que requieren altas corrientes de arranque. Las interrupciones cortas ocurren cuando la tensión de suministro o la corriente de carga decrece a menos de 0.1 pu por un periodo de tiempo menor a un minuto. La figura 2.3 ilustra el caso de una interrupción con una duración de 300 ms.

23 10 Figura 2.3: Interrupción corta FUENTE: IEEE Std Las interrupciones pueden ser resultado de fallas en el sistema de potencia, en el equipo o en el control del sistema. Su tiempo de duración se mide a partir del momento en que la magnitud de la tensión cae por debajo del valor de 0.1pu Huecos de tensión El concepto de hueco de tensión (más comúnmente conocido como sag en inglés) es habitualmente confuso en la terminología sobre calidad de la energía. Se recomienda usar la expresión un hueco de tensión a 20% que significa que la tensión de línea se redujo al 20% del valor nominal efectivo. Por el contrario usar la preposición de como en la frase un hueco de tensión de 20% no es aceptada 1. Si se expresa la magnitud de la tensión en el momento de un hueco se debe especificar también la magnitud nominal efectiva de dicha tensión. 1 IEEE Std Pág. 16.

24 11 El origen de los huecos de tensión comúnmente se asocia con fallas del sistema, pero también pueden ser ocasionados por la conexión de grandes cargas o con el arranque de motores de gran potencia. En la figura 2.4 se muestra un hueco de tensión al 70% con una duración de 140 ms y un valor nominal de 100Vrms. Es sumamente importante aclarar a partir de la figura 2.4 que el porcentaje del hueco de tensión se especifica con respecto al valor mínimo alcanzado por la tensión eficaz, y el tiempo de duración se define entre los instantes en que el dicho valor pasa los umbrales de 0.9pu. Para sistemas trifásicos se puede definir un hueco de tensión monofásico equivalente, caracterizado por la mínima caída en las tres fases, y su duración total. Figura 2.4: Características de un hueco de voltaje instantáneo (a) forma de onda (b) tensión rms FUENTE: Cahier technique no Power Quality.

25 12 Previamente, la manera para definir la duración de un hueco de tensión no estuvo clara. En algunas publicaciones un hueco de tensión se limitó a duraciones entre 2 ms (1/8 ciclos aproximadamente) hasta un par de minutos. Sin embargo caídas de tensión con una duración menor a ½ ciclo no pueden ser caracterizadas efectivamente como un cambio en la tensión rms, por lo que son considerados como transitorios. Una reducción en el valor nominal de la tensión con una duración mayor a minuto es considerada como un sobre nivel de tensión Picos de tensión Un pico de tensión (conocido comúnmente como swell del inglés), es definido como un incremento en la tensión eficaz, para duraciones entre los 8.33 ms (0.5 ciclos) a un minuto. La magnitud típica de la tensión durante un pico se encuentra entre 1.1 a 1.8 pu. Al igual que los huecos de tensión, los picos están asociados con fallas del sistema, pero con la diferencia de que estos últimos ocurren con una frecuencia mucho menor. Este fenómeno puede ser ocasionado por la conexión de una gran carga (en este caso con factor de potencia en adelanto) o un banco de capacitores. Se caracteriza con respecto a su magnitud y duración. Figura 2.5: Pico de tensión instantáneo FUENTE: IEEE Std

26 Variaciones de larga duración Las variaciones de larga duración abarcan aquellas desviaciones del valor nominal rms con una duración mayor a un minuto, con ámbitos de magnitud como los expresados en la tabla 2.2. Estas variaciones pueden ser de tres tipos: interrupciones, bajo nivel de tensión y sobre nivel de tensión. Son representadas en un gráfico de tensión rms en función del tiempo. El origen de las variaciones de larga duración, por lo general no se debe a fallas en el sistema, sino más bien a variaciones en la carga. Un sobre nivel de tensión puede ser ocasionado por la desconexión de una carga, o por variaciones en la compensación en la potencia reactiva del sistema, por ejemplo con la energización de un banco de capacitores. También puede deberse al uso incorrecto de los taps en los transformadores. Un bajo nivel de tensión, puede originarse por la incorporación de una carga al sistema, o por la desconexión de un banco de capacitores. Finalmente una interrupción sostenida es un decrecimiento a cero en la tensión durante un periodo mayor a un minuto, lo que generalmente se requiere una intervención manual para restaurar el sistema Desequilibrios de tensión Son definidos como la razón de la secuencia cero o la secuencia negativa a la secuencia positiva. La secuencia negativa o la secuencia cero en un sistema de potencia generalmente son el resultado de un desequilibrio de carga.

27 14 Figura 2.6: Tendencia del desequilibrio de tensión en un alimentador residencial FUENTE: IEEE Std Un desequilibrio puede ser estimado como la máxima desviación del promedio de las tensiones o corrientes trifásicos, dividido entre el promedio de las tensiones o corrientes trifásicas expresadas en porcentajes: ( desviación máxima) desequilib riodet ensión = 100* % (2.1) tension promedio Por ejemplo, teniendo lecturas trifásicas en un momento dado de 230, 232, 225V donde el promedio es 229 V. La máxima desviación del promedio es 4. El porcentaje de desequilibrio será 100 * 4/229 = 1.75% Distorsiones de onda Son desviaciones estables de la forma de onda normal. Algunas distorsiones de onda son las siguientes: a) Niveles CC b) Armónicas

28 15 c) Inter armónicas d) Notching e) Fluctuaciones de tensión f) Ruido A continuación se explicará cada una de ellas: a) Niveles CC Pueden ser ocasionados por fenómenos de un disturbio geomagnético. Los niveles CC en redes de corriente alterna aumentan la saturación en los transformadores y aumenta estrés de en los diferentes materiales de aislamiento en las máquinas. b) Armónicas Se definen como ondas de corriente o tensión que fluyen en el sistema de potencia a una frecuencia (múltiplo de la frecuencia fundamental) distinta de la designada para operación. Las armónicas se combinan con la onda fundamental y producen distorsiones de onda. Dichas distorsiones en la señal resultan de la interacción de corrientes armónicas creadas por cargas y dispositivos no lineales conectados al sistema de potencia. Cabe aclarar que un dispositivo no lineal es aquel en el cual la corriente no es proporcional a la tensión aplicada. Del análisis de Fourier se sabe que cualquier onda periódica distorsionada puede ser expresada como una suma de funciones senoidales con una frecuencia que corresponde a la frecuencia de la fundamental multiplicada por un número entero. La siguiente figura muestra una onda junto con sus tres subsiguientes componentes armónicas que sumadas generan la onda final distorsionada. La

29 16 primera gráfica muestra la onda fundamental que tiene en forma matemática la siguiente expresión: V ( t) = Vsen(2πϖt ) (2.2) Las componentes armónicas graficadas pueden ser expresadas como: V t) = V sen(6πω ), V t) = V sen(10πω ), V t) = V sen(14πω ) (2.3) 1( 1 t 2 ( 2 t 3( 3 t Finalmente la onda distorsionada es el resultado de la suma de todas las señales anteriores. Figura 2.7: Representación de la serie de Fourier en una onda distorsionada a) fundamental b) 3, 5 y 7 armónica c) onda distorsionada resultante Sin embargo, ocasionalmente solo la magnitud de los componentes armónicos es de interés para los estudios de calidad de energía. Usualmente las armónicas de orden alto como las componentes entre la 25th a la 50th son despreciables en un sistema de potencia. Sin embargo estas componentes pueden ocasionar interferencia en los dispositivos electrónicos de baja potencia. Un aspecto importante que se debe tener claro es la distinción entre un fenómeno transitorio como los explicados en enunciados anteriores y un fenómeno armónico. Los eventos transitorios

30 17 son distorsiones de onda con componentes de alta frecuencia. Aunque dichos eventos presenten componentes con una frecuencia distinta de la frecuencia fundamental, transitorios y armónicos son fenómenos separados que se analizan de una manera distinta. Las formas de onda transitorias exhiben alta frecuencia durante un instante después de que existió un cambio abrupto en el sistema. Estas frecuencias de los transitorios no son necesariamente armónicas (o sea, múltiplo de la frecuencia fundamental), más bien, son la frecuencia natural del sistema en el instante de la operación de conexión de un banco de capacitores o de la energización de un transformador, por ejemplo. Las armónicas por definición son un fenómeno de estado estable ya que su distorsión está presente continuamente y asociada con la operación de alguna carga. Un caso en el que la distinción entre fenómeno transitorio y armónico no está muy claro es durante la energización de transformadores, acción que produce un transitorio que puede producir una distorsión de la onda por varios segundos y además puede producir resonancia. Las distorsiones por armónicas pueden ser caracterizadas por medio de su espectro armónico, con magnitud y el ángulo de fase de cada componente armónico individual. Es común usar en la caracterización de armónicas una cantidad simple llamada distorsión armónica total (THD), como una medida del valor efectivo de la distorsión en la onda de la tensión ocasionada por armónicas. Este índice puede ser calculado para cualquier tensión o corriente de la siguiente manera:

31 18 THD hmax 2 M h = h> 1 (2.4) M 1 donde M h es el valor rms de la componente armónica h de la cantidad M. El índice THD es un indicador de la distorsión armónica en la señal de tensión. La tensión armónica es casi siempre referida al valor fundamental de la onda en el instante de la muestra. Variaciones en el THD sobre un periodo de tiempo, frecuentemente revela patrones que presentan la actividad de las cargas no lineales en un sistema. Por ejemplo la siguiente figura presenta la variación en la tensión THD durante un periodo de una semana en la barra de 13.2 kv de una subestación que abastece una carga residencial. Se observa un patrón que muestra mayor distorsión en horas de la noche y madrugada, tiempo durante el cual las cargas no lineales superan en cantidad a las cargas lineales. Figura 2.8: Variación en la tensión THD durante un periodo de una semana en un alimentador residencial

32 19 Sin embargo el THD para el caso de indicación de la distorsión armónica en la corriente suele ser engañosa. La distorsión armónica en la corriente se indica mediante distorsión demandada total (TDD por sus siglas en inglés). Para indicar la distorsión armónica en la corriente no debería utilizarse el THD ya que los valores de este índice, en el caso de las corrientes, puede revelar distorsiones no significativas que pueden inducir confusiones o malas interpretaciones, principalmente en aquellos casos donde las corrientes son bajas. Por ejemplo en los variadores de velocidad (ASD por sus siglas en inglés) se presentan frecuentemente altos valores de THD para la corriente de entrada cuando el ASD abastece una carga liviana. Esto no necesariamente muestra un resultado representativo ya que la magnitud de las corrientes armónicas son muy bajas, tendiendo a ser despreciables, pero el THD es alto. La IEEE en el estándar define la distorsión demandada total de la siguiente manera: TDD = hmax h= 2 I L I 2 h (2.5) donde I L es el máximo de la corriente de carga demandada en la componente de la frecuencia fundamental medida en el punto de acople común (PCC), que es el punto entre la impedancia del sistema de distribución y el nodo donde pueden ser abastecido o conectado más de un usuario o cliente final. Existen dos formas para medir I L. Para una carga en el sistema, esta puede ser calculada como un promedio de la corriente de máxima demanda para los 12 meses anteriores. La otra forma, algo empírica, es realizar una estimación basada en el perfil de carga.

33 Como ejemplo se muestra mediante la figura a continuación la forma distorsionada de onda de la corriente y su espectro armónico en un variador de velocidad. 20 Figura 2.9: Forma de onda de la corriente y espectro armónico de un ASD FUENTE: IEEE Std Las cargas que comúnmente generan armónicas en el ámbito comercial son balastros de las luces fluorescentes, los ASD y los dispositivos electrónicos sensibles alimentados con fuentes monófásicas. c) Inter armónicas Estos fenómenos pueden ser encontrados en redes de toda clase de tensión. Se manifiestan como una frecuencia discreta. Las principales fuentes de distorsiones inter armónicas son los ASD, los inversores PWM, las aplicaciones donde se utilicen UPS y los motores de inducción. Una frecuencia inter armónica es algo parecido a una componente armónica, pero que conserva un múltiplo (no entero y mayor que la unidad) de la fundamental que produce en una onda distorsionada no necesariamente periódica.

34 21 d) Notching Es un distorsión periódica en la onda de tensión ocasionada por la operación normal de los dispositivos electrónicos de potencia. Este fenómeno representa un caso entre un transitorio y una distorsión armónica. Una tensión notchinig corresponde a aquella en que la forma de su onda presenta pequeñas muescas periódicas. Dicha señal puede ser caracterizada por su espectro armónico, sin embargo esto es difícil para los equipos de medición. Los convertidores trifásicos que producen corriente contínua son la principal causa de tensiones notching. La figura 2.10 muestra un ejemplo de este tipo de distorsión en una onda de tensión. Figura 2.10: Ejemplo de una tensión notching ocasionada por un convertidor La muesca ocurre en el instante en que la corriente cambia de una fase a la otra. Durante este periodo ocurre un corto circuito momentáneo entre dos fases. e) Fluctuaciones de tensión Son variaciones al azar de la envolvente de la onda de tensión. Esta variación es ocasionada por la variación en la corriente de una carga, principalmente en la componente reactiva. Aquellas

35 22 cargas que tienen variaciones rápidas en su corriente ocasionan fluctuaciones de tensión, que en ocasiones son erróneamente confundidas con flickers, cuyo término es derivado del impacto que ocasiona una variación de tensión en cargas de iluminación. Una fluctuación de tensión corresponde a la respuesta del sistema de potencia ante las variaciones de la corriente que consume la carga, mientras que el flicker es la distorsión en la intensidad de la iluminación que puede ser observada por el ojo humano y ocasionada por una fluctuación de tensión. Los hornos de fundición de arco son la fuente más común de este tipo de distorsión en los sistemas de transmisión y distribución. Por ejemplo en Guatemala opera un horno de este tipo, con un consumo nominal de 30 MW, lo que ocasiona distorsiones de la onda de tensión. Los grandes cambios en la corriente de consumo se reflejan en las constantes variaciones en el flujo de potencia a través de las líneas de transmisión. Simulaciones realizadas por el Centro de Control de Energía del ICE utilizando el programa PSS/E, muestran las variaciones en la potencia activa en la línea de interconexión con Nicaragua producidas por maniobras de operación del horno de Guatemala.

36 23 Figura 2.11: Flujo de potencia activa en la línea de interconexión con Nicaragua. Simulación de las variaciones de potencia causadas por el horno de arco de Guatemala Para caracterizar una fluctuación de tensión es necesario expresar su magnitud rms como un porcentaje de la fundamental. Por otro lado el flicker es medido respecto a la sensibilidad del ojo humano. Un ejemplo de variación de tensión se presenta en la siguiente figura. Figura 2.12: Ejemplo de fluctuación de tensión ocasionada por un horno de fundición de arco

37 24 f) Ruido Este fenómeno es una señal indeseada con espectro por debajo de los 200kHz. Puede ser ocasionado por dispositivos electrónicos de potencia, circuitos de control, equipos de soldadura y rectificadores de estado sólido. Una mala conexión a tierra puede aumentar los problemas de ruido. La distorsión ocasionada por este fenómeno no puede ser calificada como un transitorio o como un evento armónico. El ámbito de frecuencia y la magnitud del nivel de ruido dependen de la fuente que produce esta distorsión y de las características del sistema. Una magnitud típica de ruido es menos del 1% de la magnitud de la tensión. Esto puede ocasionar mal funcionamiento en las computadoras y los controladores programables. El problema del ruido en una señal puede ser atenuado colocando filtros o transformadores de aislamiento.

38 25 Capítulo 3: Normativa sobre la Calidad de Tensión Al ser el tema sobre calidad de la energía incipiente, las regulaciones sobre los fenómenos descritos en el capítulo anterior podrían necesitar ciertas observaciones, o aclaraciones. Existen estándares emitidos por parte de organizaciones internacionales como CBEMA, ANSI, IEEE o la IEC, donde se plantean aspectos sobre la limitación de transitorios, huecos de tensión, picos de tensión, armónicas, etc, además de los métodos de medición utilizando equipo apropiado. A continuación se citarán algunos casos de normativas nacionales empezando por las normas de calidad de la energía de la ARESEP, pasando luego por algunas normas de otros países. Se establecerá una comparación entre las normas y se realizarán algunas recomendaciones. También se analizarán estándares internacionales como el EN y el IEC Se realizará un análisis de las curvas ITIC, ANSI, SEMI con el objetivo de aclarar su significado y tratando de aclarar la zona de transitorios oscilatorio definidos por el estándar IEEE Las normativas y regulaciones acerca de distorsiones por armónicas se trataran en un apartado separado de los demás por ser un fenómeno de estado estable que se debe medir y regular distinto de cómo se hace con los fenómenos transitorios, huecos y picos de tensión. 3.1 Normativas nacionales de calidad energía Normas del ARESEP Para el caso de Costa Rica la Autoridad Reguladora Servicios Públicos (ARESEP) es el ente encargado de fiscalizar el cumplimiento de la calidad de la tensión. Para redes de distribución a

39 26 baja y mediana tensión las leyes Calidad del Voltaje de Suministro (AR-NTCVS) y Calidad de la Continuidad del Suministro Eléctrico (AR-DTCSE) establecen la normativa acerca de la regulación de los fenómenos que afectan la calidad de la energía como armónicas, huecos de tensión, picos de tensión, transitorios, e interrupciones, estas últimas especificadas con detalle en la norma AR-DTCSE. Por otro lado la norma Metodología para la evaluación de la Calidad de Voltaje de Suministro (AR-MTCVS) da las pautas para establecer la metodología necesaria al realizar estudios de media y baja tensión. Dichas normas técnicas emitidas en diciembre de 2001 son detalladas si se les compara con reglamentaciones de otros países latinoamericanos. La norma técnica Calidad en el servicio de Generación y Transmisión de Energía Eléctrica (AR-NTGT) se encarga de regular la calidad de la tensión de suministro en alta tensión. Las definiciones que la norma AR-NTCVS estipula, concuerdan con las definiciones de los estándares de la IEEE con respecto a los fenómenos electromagnéticos que afectan la calidad de energía. La tabla 3.1 detalla las definiciones que da la ARESEP para algunos de los fenómenos ahondados en el capítulo 2.

40 Tabla 3.1: Definiciones de los fenómenos que afectan la calidad de la energía según la ARESEP Fenómeno Definición Disminución del valor eficaz (rms) de voltaje entre un 10 y un 90% del valor de tensión nominal a la Hueco de tensión (sag): frecuencia fundamental de la red de distribución, con una duración entre medio ciclo y un minuto Aumento del valor eficaz (rms) de voltaje entre un 10 y un 80% del valor de tensión nominal a la frecuencia Pico de tensión (swell): fundamental de la red de distribución, con una duración entre medio ciclo y un minuto Un cambio súbito, unidireccional (positivo o negativo) Impulso de tensión (transitorio): en el voltaje, a una frecuencia diferente a la fundamental Condición de tensión inferior al valor mínimo permitido Bajo nivel de tensión para un valor de tensión declarado, con una duración superior a un minuto Condición de superior al valor máximo permitido para Sobre nivel de tensión un valor de tensión nominal declarado, con una duración superior a un minuto Una variación del valor eficaz (rms) de la tensión Variaciones de tensión de corta duración nominal a la frecuencia fundamental de la red de distribución, con una duración mayor a los 8.33 milisegundos y menor o igual que un minuto Diferencia de entre los valores de las magnitudes de Asimetría de las tensiones trifásicas tensión entre las fases o entre fases y neutro Impresión de la inestabilidad de la sensación visual Parpadeo (Flicker) debida a un estímulo luminoso en el cual la luminosidad o la distribución espectral fluctúan en el tiempo FUENTE: Norma Técnica Calidad del Voltaje de Suministro AR-NTCVS 27 Otras definiciones importantes que da la ARESEP y relacionadas con el tema son: Calidad del voltaje de suministro: Comprende las características de tensión y frecuencia con que se entrega la energía a los abonados o usuarios para su utilización. Tensión de alimentación (Va): Valor eficaz (rms) de la tensión (fase fase o fase - neutro) presente en un instante dado en el punto de entrega, medido en un intervalo de tiempo dado.

41 Tensión nominal (Vn) de una red de distribución: Tensión en valor eficaz (rms) que caracteriza o identifica una red de distribución o parte de ella y a la cual se hace referencia para ciertas características de operación de dicha red o porción de la misma. Tensión máxima de una red de distribución Vmax: El valor eficaz más alto de la tensión permisible, en condiciones normales de distribución, en una red de distribución o parte de ella. Tensión mínima de una red de distribución Vmin: El valor eficaz más bajo de la tensión permisible, en condiciones normales de explotación, en una red de distribución o parte de ella Observaciones a la norma AR-NTCVS Las variaciones de corta duración según la definición en la tabla 3.1 y definidas por AR-NTCVS se consideran fenómenos o eventos que generan una variación significativa en el valor eficaz rms de la tensión con una duración típica entre los 8.33 ms a un minuto. Esto concuerda con la definición del estándar IEEE (véase tabla 2.2). Sin embargo la ARESEP incluye los impulsos de tensión dentro de estas variaciones de corta duración. La tabla 3.2 muestra las variaciones de corta duración según la división propuesta por la ARESEP. Tabla 3.2: Variaciones de tensión de corta duración según ARESEP Valores no Categoría Duración Típica Magnitud Típica permisibles Impulsos con magnitud Impulso 5µ seg. 1 mseg % mayor al 200% de Vn Huecos entre un 0% y 8.33 mseg 1 un 87% de Vn con Hueco de tensión 10-90% minuto duración mayor a 8.33 mseg Pico de tensión 8.33 mseg a 1 minuto % FUENTE: Norma Técnica Calidad del Voltaje de Suministro AR-NTCVS Picos mayores a 115% de Vn de cualquier duración 28

42 29 Cabe recalcar que los impulsos de tensión no entrarían en la clasificación de variaciones de corta duración ya que su duración es menor a los 8.33 ms (5µ seg. 1 mseg según la ARESEP). Por otro lado según IEEE las bajo tensiones (y en general cualquier distorsión con una duración menor a los 8.33 ms, o sea, medio ciclo de la onda de tensión a 60 Hz) no pueden caracterizarse como un cambio efectivo en la tensión rms. Por lo tanto estos eventos deben ser considerados como transitorios y separarse de la clasificación de variaciones de corta duración. Esto significa una observación importante a la norma AR-NTCVS. Un segundo punto que se puede aclarar en la ley corresponde a los transitorios oscilatorios definidos por el estándar IEEE Estos no están definidos por la ARESEP, o al menos no están claramente definidos. Según la tabla 3.1 un impulso de tensión mantiene un comportamiento unidireccional. Sin embargo un transitorio oscilatorio tiene impulsos en ambas direcciones permitiendo obtener su frecuencia de oscilación. Además las duraciones de estos eventos pueden estar dentro de 1 mseg a 8.33 ms. Inclusive en el caso de transitorios oscilatorios generados por la conexión de bancos de capacitores para la corrección del factor de potencia, las duraciones típicas están dentro de este ámbito de tiempo, el cual no está contemplado en la tabla Norma técnica AR-NTGT La norma Calidad en el servicio de Generación y Transmisión de Energía Eléctrica AR-NTGT como se dijo anteriormente es la encargada de la regulación en el área de transmisión y 2 Std , pag 17.