Capítulo 2 (Huecos de Tensión)

CCAAPPIITTUULLOO IIII

ANALISIS DEL ORIGEN Y DESCRIPCION DEL HUECOS DE TENSION - Definicin, Caractersticas y causantes - Clculo del Hueco de tensin en un sistema radial simple ANALISIS DE LOS EFECTOS DEL HUECO DE TENSION - Industrias afectadas - Consecuencias sobre los receptores - Sensibilidad de los equipos a huecos de tensin

- Equipos afectados mas destacados - Criterio de energa especfica constante - Factores que influyen en la capacidad de soportar huecos de tensin - Anlisis de las zonas de vulnerabilidad

- Normas y Recomendaciones Internacionales - Computer Business Equipment Manufacturer Association (CBEMA) - Information Technology Industry Council (ITIC) - Electric Power Research Institute (EPRI)

- Comparacin de los grficos de susceptibilidad de las distintas normas - Norma europea EN 50160-1995. La calidad de la tensin

PREDICCION Y CONFIABILIDAD DE LOS HUECOS DE TENSION ANLISIS DE CORRECCION O MITIGACION DE PERTURBACIONES - Estudio de soluciones frente a los Huecos de Tensin

- Sistemas de correccin especficos - Sistemas de correccin universales - Consideraciones finales

- Punto de Conexin comn

Calidad de energa Huecos de Tensin Ingeniera Electromecnica

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2.1 ANALISIS DEL ORIGEN Y DESCRIPCION DE LOS HUECOS DE TENSION 2.1.1 Definicin, Caractersticas y causantes

Segn se define en la norma EN 50160 (Norma Europea) de aplicacin a redes de hasta 35

kV, se denomina a hueco de tensin como la disminucin brusca de la tensin de alimentacin a un valor situado entre el 90 % y el 1 % de la tensin nominal Un, seguida del restablecimiento de la tensin despus de un lapso de tiempo. Por convencin, un hueco de tensin dura de 10 ms a un minuto; adems, dependiendo de la permanencia de la anormalidad se lo caracteriza como hueco instantneo (0,5 a 30 ciclos), momentneo (30 ciclos a 3 segundos), o temporario (3 a 60 segundos). Con respecto a la profundidad del hueco esta se define como la diferencia entre la tensin eficaz durante el hueco de tensin y la tensin nominal, tal como se muestra en la figura N5.

Para nuestros propsitos y a lo largo de este trabajo se denomina al hueco en referencia a la profundidad, es decir que la expresin: Hueco del 80 %... significar una disminucin brusca de la tensin de alimentacin a un valor del 20 % de la tensin nominal.

Duracin del Hueco (ms)

Tensin nominal

Tensin de disparo del hueco

Tamao del Hueco

Figura N5. Profundidad y duracin del hueco de tensin.

Para una mayor comprensin sobre el significado de hueco de tensin y en funcin de la

definicin enunciada en el prrafo anterior podemos decir:

Con respecto a la duracin de la anormalidad: Si la duracin es mayor a la citada el problema es considerado como subtensin o baja tensin.

Con respecto al porcentaje de disminucin de la tensin: Las variaciones de tensin que no reducen la tensin de alimentacin a un valor inferior al 90 % de la tensin nominal no son consideradas como huecos de tensin, en esta categora tambin entrara el problema citado en el punto anterior. Es importante destacar que un hueco de tensin no debe ser confundido con una interrupcin ya que esta significa la prdida total de tensin y que por otro lado stas no son tan frecuentes como los huecos de tensin pues solo ocurren en el circuito donde ocurre la interrupcin sin afectar a otras lneas.

En las Figuras N6 y N7 se muestran distintas formas en que pueden aparecer los huecos

de tensin. Por ejemplo para la primera figura se muestra un hueco aislado con duracin y profundidad definida. En cambio en la segunda figura se visualiza dos huecos consecutivos con profundidad y duracin tambin definidos. Estos grficos son el resultado de un modelo simulado


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mediante el programa Simulink 1.3, para una tensin nominal eficaz de 220 V con frecuencia de 50 Hz.

0 0 .0 2 0 .0 4 0 .0 6 0 .0 8 0 .1 0 .1 2 0 .1 4 0 .1 6 0 .1 8 0 .2

-3 0 0

-2 0 0

-1 0 0

0

1 0 0

2 0 0

3 0 0

Tim e (se co nd )

Figura N6. Hueco de tensin del 20 % con duracin de 70 ms.

0 0 .02 0 .04 0 .06 0 .08 0 .1 0 .12 0 .14 0 .16 0 .18 0 .2

-300

-200

-100

0

100

200

300

Tim e (second)

Figura N7. Hueco de tensin del 40 % seguido de otro hueco del 20 % ambos con duracin de 50 ms. Los huecos de tensin se pueden caracterizar por cinco parmetros que a continuacin se

describen:

Amplitud o profundidad del hueco, este valor se lo expresa en valores por unidad, tomndose como valor de referencia el valor nominal eficaz de la lnea.

Cambio de Fase, este parmetro es importante pues existen ciertos equipos que son sensibles al salto de fase como es el caso de algunos variadores de velocidad.

Duracin, para determinar la duracin se considera como tiempo inicial a un valor de tensin inferior al lmite establecido por norma el cual ronda del 10 al 13 %.

Probabilidad de ocurrencia, numerosos estudios han determinado que la eventualidad de que ocurra un hueco es mucho mayor cuanto ms grande sea la longitud de la lnea.

Forma de onda, Es por lo general observar que la mayora de las perturbaciones, se originan cuando la tensin pasa por un mximo y finalizan cerca del pasaje por cero.


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Cada hueco tiene caractersticas distintas que dependen por ejemplo de la impedancia de falla, de los accionamientos de los dispositivos de maniobra y/o proteccin (como ejemplo podemos decir que la existencia, frecuencia de ocurrencia, magnitud y duracin del hueco de tensin poseen una marcada relacin con la proteccin contra sobrecorriente empleada en el sistema elctrico) y de las caractersticas de la carga conectada. Adems, estos tres motivos fundamentales son los causantes de que los huecos no sean constantes.

Impedancia de falla. Las impedancias presentes durante una falla en el sistema elctrico

influyen de una manera determinante a la hora de evaluar la profundidad del hueco de tensin. Ms adelante en el punto 2.2.3.4 de este captulo se analiza en detalle el efecto que producen.

Accionamientos de los dispositivos de maniobra y/o proteccin. En la prctica se

intenta cortar lo antes posible la corriente de cortocircuito mediante interruptores automticos u otros aparatos. El instante de corte depende del retardo mnimo de desconexin del interruptor. Segn el tipo de proteccin y de interruptor este valor est comprendido entre 60 y 200 milisegundos, siendo en algn caso menor que 60 milisegundos. En redes de baja tensin el retardo mnimo de desconexin suele ser de 10 milisegundos.

Caractersticas de la carga conectada. Las cargas modifican en gran medida su

comportamiento segn el valor de la tensin aplicada, por ejemplo las lamparas de descarga gaseosa se apagan, algunos dispositivos electrnicos tratan de re-encenderse, etc. La accin de un motor frente a un hueco es una reduccin inicial de la velocidad del motor, manteniendo durante cierto tiempo la fuerza contraelectromotriz. Cuando la perturbacin finaliza, el motor se acelera demandando mas energa de la red hasta que se alcanza el equilibrio, este hecho prolonga la duracin del evento, haciendo que cargas sensibles que hubieran soportado la perturbacin salgan fuera de servicio por la extensin de la misma. Esta re-aceleracin presenta caractersticas distintas a las del arranque convencional, debido fundamentalmente al proceso de toma de carga en caliente.

Los huecos de tensin son causados por fallas en el sistema de energa, los cuales pueden

ocurrir dentro de la planta o en el sistema de la empresa de servicio. Bsicamente existen tres tipos de fallas: lnea monofsica a tierra (SLGF, Single Line Ground Fault), de lnea a lnea y trifsica a tierra, estas ltimas son la menos comunes pero resultan ser la ms severas, sin embargo en redes con puesta a tierra rgida o con puesta a tierra a travs de una impedancia de bajo valor hmico, en el caso de las fallas SLGF la corriente de cortocircuito puede superar a la mayor corriente de cortocircuito que aparece en caso de un cortocircuito tripolar, por otro lado las SLGF resultan ser las que se suceden ms a menudo y por lo tanto es la que abarca la mayora de los orgenes que se mencionan abajo.

En resumen, los principales orgenes de las fallas de un sistema elctrico que causan la

aparicin de los huecos son:

) Sobrecargas demasiadas prolongadas, ) Inclemencia del tiempo como pueden designarse a heladas, vientos fuertes y descargas

atmosfricas eliminadas efectivamente por el descargador de sobretensin, con la consiguiente corriente circulando hasta el prximo pasaje por cero de la tensin,

) Cargas normales las cuales producen transitorios de conexin con un tiempo de duracin la cual es comparable con las empleadas en la definicin del hueco de tensin. Cabe destacar que si bien el arranque de motores producen bajas tensiones ests comnmente no entran en la categora de hueco de tensin, pues la duracin suele ser por lo general superior a 60 segundos. Este problema de calidad de energa es llamado generalmente Flicker.


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) Conexin de parte o la totalidad del sistema luego de sucedida una interrupcin, denominando arranque en caliente si la interrupcin no supera los diez minutos y arranque en fro para duraciones mayores,

) Contaminacin de aisladores, ) Contacto con animales y/o ramas de rboles con las lneas elctricas, ) Accidentes que involucran actividades de transporte y construccin como por ejemplo el

choque de un vehculo contra un poste.

2.1.2 Clculo del Hueco de tensin para un sistema radial simple Debido a que la potencia de cortocircuito es relativamente alta (entre 25 y 300 MVA) y las

potencias de los motores relativamente baja (1MW), muchos huecos de tensin se deben a los cortocircuitos y no a cargas de arranque pesados. Por este motivo se calcula a continuacin el hueco producido por un cortocircuito tripolar para el sistema de distribucin del tipo radial.

La Figura N8 muestra como el PAC (Punto de Acometida Comn) divide al sistema en dos partes, lado fuente y lado carga, o en otras palabras, es el punto de la red de distribucin en el que

se pretende conectar la carga de un usuario. Para este sistema se ha supuesto

una falla tripolar en la lnea de distribucin cuya impedancia est representada por Z2 y en consecuencia circular por el camino marcado en la figura una corriente de cortocircuito IK la cual produce del lado de la fuente una cada de tensin VZ1 en la impedancia Z1 que origina una reduccin en el potencial del PAC en comparacin con condiciones normales.

Figura N8.Circuito radial simple. En los cortocircuitos tripolares, las tres

tensiones correspondientes al punto donde se produce el cortocircuito tienen un valor igual a cero y las tres fases presentan cargas simtricas debidas a las corrientes de cortocircuito que se encuentran desfasadas 120, independientemente de si el punto de cortocircuito est unido o no a tierra.

Por esta razn, el clculo de la corriente de

cortocircuito puede llevarse a cabo para una fase y, en estas condiciones el circuito equivalente resultante est representado por la Figura N9. Figura N 9. Circuito equivalente para

el clculo de cortocircuito tripolar.

En funcin del circuito equivalente la corriente de cortocircuito durante el evento viene dado por la siguiente expresin:

2121 )( ZZ

EIZZIE KK +=+=

PAC

CARGA

Z2

Z1

IKLADO FUENTE LADO CARGA

G

Z1Z2

E

CARGA

IKIK

I =0CARGA


12

La cada de tensin en la impedancia Z1 es:

11 ZIV KZ = Reemplazando el valor de la corriente de cortocircuito IK en esta ltima expresin resulta:

21

11 ZZ

ZEVZ +=

El hueco de tensin resulta ser la cada de tensin en la impedancia del lado de la fuente en valores por unidad provocada por la corriente de cortocircuito. La expresin en este caso resulta:

)( 2111

ZZZ

EVV Zhueco +==

Siguiendo un mismo procedimiento puede hallarse la expresin del ngulo de fase durante

el hueco de tensin. Sabiendo que las impedancias Z1 y Z2 expresadas en mdulo y fase son de la siguiente forma:

1

111

1

1121

211 R

XTgZRXTgXRZ =+= y

2

212

2

2122

222 R

XTgZRXTgXRZ =+=

El valor de la corriente de cortocircuito era:

+++=

+++

= 21

211

21

21

21121

0RRXXTg

ZZ

EI

RRXXTgZZ

EI KK

Y adems:

2

212

21

211

2122 R

XTgZRRXXTg

ZZ

EZIV KZ

+++==

++=

21

211

2

2122 RR

XXTgRXTgVV ZZ

Finalmente la fase de la carga que sufre el hueco de tensin durante el evento es:

)()(21

21

2

2

RRXXarctang

RXarctanghueco +

+= 2.2 ANLISIS DE LOS EFECTOS DEL HUECO DE TENSIN

2.2.1 Industrias afectadas

En la actualidad existen sectores industriales que por las caractersticas de sus procesos

altamente automatizados o elementos de control que utilizan en las lneas de produccin se ven ms afectadas que otras; provocando los huecos de tensin prdidas econmicas de gran


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magnitud, debidas a paradas momentneas de la produccin y poniendo adems en peligro los propios equipos. Las industrias ms perjudicadas por los huecos de tensin se agrupan en la Tabla N1.

Segmento industrial Procesos industriales

Procesos continuos Fabrica de papel, fibra y textiles. Plantas de extrusin o moldeo de plsticos

Mecanizados de precisin Fabricacin de piezas para la Industria Automotriz. Procesos de prensado con bombas hidrulicas

Productos de alta tecnologa e investigacin Fabricacin de semiconductores. Centros de investigacin de Fsica de partculas

Tecnologa de la informacin Centros de procesos de datos. Bancos Telecomunicaciones Emisoras

Relativos a la proteccin y a la seguridad Procesos de alto riesgo Procesos qumicos Hospitales y centro sanitarios Instalaciones militares Instalaciones auxiliares de centrales elctricas Grandes subestaciones de transmisin

Tabla N1. Industrias afectadas.

2.2.2 Consecuencias sobre los receptores Como se dijo en el inciso anterior la interrupcin de un proceso industrial debido a huecos

de tensin puede resultar en un incremento substancial de los costos de operacin. Estos costos incluyen:

La prdida de productividad. Costos de mano de obra por limpieza y re-arranque. Daos en los productos. Calidad de producto reducida. Demoras en las entregas o incumplimiento de las empresas que aplican la poltica just in time. La reduccin en la satisfaccin del cliente. El dao o deterioro de los equipos de produccin.

Si bien los efectos directos producidos por los huecos de tensin son variables y que

adems dependen del tipo de receptor, citamos a continuacin los ms frecuentes:

Parada de equipos sensibles. Disparo de rels de mnima tensin. Disparo de rels (o contactores) de actuacin ante desequilibrios. Reinicio anormal de procesos automatizados. Ralentizacin de motores con puntas de corriente en la reaceleracin.


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2.2.3 Sensibilidad de los equipos a huecos de tensin Todo equipo opera dentro de un rango de tensin definido, para el cual se asegura el

correcto funcionamiento pero surgen inconvenientes cuando la tensin se desva de esta regin segura de funcionamiento especfico para ese equipo.

Por razones exclusivamente de reduccin en los costos de produccin el cual se debe a un mercado cada vez ms competitivo es que los fabricantes han optado por elaborar sus productos cada vez ms vulnerables frente a los huecos de tensin, esto quiere decir, que los equipos son elaborados de tal forma que su capacidad de almacenar energa (ya sea en forma de campo elctrico o magntico) se ve disminuida respecto a modelos anteriores; restndole en consecuencia inmunidad al equipo de uso final frente a esta anormalidad.

Es importante destacar que en principio las diferentes categoras de equipamiento e incluso las diferentes marcas de equipo dentro de una categora (por ejemplo dos modelos diferentes de variadores de velocidad) tienen sensibilidades a huecos de tensin significativamente diferentes y adems se potencia esta diferencia si se considera que cada instalacin industrial est sujeta a circunstancias totalmente individuales. Por este motivo es que se hace difcil desarrollar una nica norma que defina la sensibilidad de equipos; sin embargo, la experiencia demuestra que un equipamiento muy sensible ampliar el rea de vulnerabilidad de la planta para huecos de tensin disruptivos.

2.2.3.1 Equipos afectados ms destacados

A continuacin se detalla brevemente un listado de los equipos particulares ms importantes que pueden sufrir el efecto de los huecos de tensin:

Computadoras personales, PLC (Controladores lgicos programables), Variadores de velocidad (ASDs), Contactores, Equipos de iluminacin, Equipos domsticos (electrodomsticos), Circuitos de medidas elctricos y electrnicos, Motores asincrnicos, Motores sincrnicos, Motores de continuidad alimentados por tiristores.

Controladores lgicos programables (PLC)

Debido a que este dispositivo de control es cada vez ms utilizado en las lneas de proceso industriales es que resulta necesario un seguimiento sobre el comportamiento del mismo frente a los huecos de tensin ya que estos pueden provocar en ellos prdidas de informacin o interpretaciones errneas de rdenes o incluso la parada de la planta lo que conduce a la reiniciacin del proceso para continuar con la produccin. Adems, la dependencia de un proceso total de una planta (que puede incluir controles, variadores de velocidad, moto-contactores, robtica, etc.) sobre la sensibilidad de un solo componente del equipamiento, dificulta la identificacin de la pieza de equipamiento sensible luego de que todo el proceso se haya detenido.


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Variadores de velocidad (ASDs) Algunos variadores de velocidad son diseados para que el motor pueda soportar huecos

de tensin; el tiempo de trnsito puede variar desde 50 ms a 500 ms; dependiendo del fabricante. Por ejemplo, se han diseados variadores que actan despus de detectar un hueco de tensin del 10 % en un tiempo de 50 ms, monitoreando la lnea de corriente alterna.

Contactores

El contactor se lo considera como un eslabn crtico en un proceso industrial en lo que se

refiere a los huecos de tensin, ya que durante tales perturbaciones el dispositivo puede abrirse. Los efectos ante la presencia de huecos de tensin pueden ser variados dependiendo de la profundidad, la duracin del hueco y el punto de inicio en la onda de tensin en que el hueco ocurre (para este ltimo se puede destacar que dos huecos de tensin que poseen igual magnitud y duracin, difiriendo en el ngulo de iniciacin, se generar la apertura en el caso de 0 y no con la iniciacin en 90), entre los fundamentos principales. En el caso ms habitual, el contactor cae inmediatamente con el hueco y permanece abierto hasta el rearme manual, pero pueden darse tambin otras variantes:

1. El contactor permanece cerrado durante un cierto tiempo tras la aparicin del hueco. Si al

cabo de ese tiempo la tensin no se recupera, cae definitivamente. 2. El contactor abre sus contactos inmediatamente con el hueco y cierra si una tensin

apropiada vuelve antes de un tiempo previamente establecido. Cualquiera sea la respuesta del contactor, sta tiene su origen en el desequilibrio de fuerzas

que surge a consecuencia de la reduccin en la tensin y por ende en el desbalance energtico que origina el hueco en la bobina del contactor.

Existen reglas empricas que indican inmunidades para huecos del 85 % durante dos ciclos (40 ms); sin embargo esta susceptibilidad depende del fabricante, habiendo contactores que pueden soportar hasta el 50% de la tensin nominal para tiempos mayores.

Equipos de iluminacin

Muchos de los sistemas de iluminacin son tolerantes a los huecos de tensin. Por ejemplo,

las lmparas incandescentes responden a un hueco de tensin simplemente con una reduccin en el brillo en comparacin con el brillo que tendra a tensin nominal. Por eso, mientras la vida til de una lmpara incandescente puede verse afectada y el cambio en el brillo puede ser molesto para el usuario, no existen mayores efectos adversos.

Los sistemas con lmpara fluorescente no muestran la misma tolerancia al hueco como los

anteriores. Tpicamente los balastos normales son ms tolerantes a los huecos que los balastos electrnicos, sin embargo en ambos casos puede haber algn parpadeo o flicker. Si el hueco es bastante profundo, entonces el balasto ya no podr proporcionar la energa que se necesita para generar el arco dentro del tubo fluorescente lo que conlleva a la interrupcin luminosa.

Los sistemas de iluminacin HID (High Intensity Discharge) tales como las lmparas de mercurio o las lmparas de sodio de alta y baja presin resultan ser muy susceptibles a tal anormalidad pues se extinguen en alrededor del 80% de la tensin nominal (hueco del 20%). Estos sistemas tienen la particularidad de que cmo tardan ms tiempo en re-encenderse, en comparacin con el encendido en fro, se suele confundir el hueco de tensin con una interrupcin


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ms larga. Este efecto puede ser peligroso por que los empleados son dejados en la oscuridad con el equipo del proceso en funcionamiento cerca de ellos.

Motores asincrnicos Efectos sobre el accionamiento

Cuando se produce un hueco de tensin, disminuye el par motor, que es aproximadamente proporcional al cuadrado de la tensin, dando lugar a una ralentizacin, que se prolonga hasta que se recupera la tensin, o incluso a la propia parada del motor. Cuanto mayor sea la profundidad y la duracin del hueco, mayor ser la ralentizacin del motor:

) En general, huecos menores de un 30% (70% de Unominal) no originan parada,

independientemente de cul sea su duracin, ya que se alcanza en ellos un nuevo equilibrio par motor-par resistente a velocidad inferior.

) Si la profundidad del hueco supera el 30%, se producir o no parada dependiendo de su duracin y de la constante de inercia del motor. Este proceso tiene lugar de forma simultnea en todos los motores de la instalacin

industrial afectada por el hueco. Si la duracin del hueco de tensin es mayor de 1 segundo aproximadamente, la corriente de reaceleracin de los motores ser de orden semejante a la del arranque, es decir, aproximadamente de cinco a seis veces la intensidad nominal. Ello puede dar lugar a un nuevo hueco de tensin que, en el peor de los casos, impedira la reaceleracin.

La figura N10 muestra los tres tipos

principales de respuesta de los motores asincrnicos ante un hueco de tensin: el tipo I, transcurrido el evento recupera la velocidad nominal; el II, llega a pararse pero arranca por si mismo alcanzando, transcurrido un mayor tiempo, el rgimen nominal; por ltimo, el tipo III no puede superar el hueco y se para.

Figura N10. Respuestas del motor asincrnico ante los huecos de tensin.

Efectos sobre el control:

) Mediante contactores en alterna. Los efectos de los huecos sobre este elemento de maniobra ya fueron citados anteriormente.

) Mediante interruptores y rels de mnima tensin. Para evitar que tenga lugar el arranque de la instalacin entera cuando vuelve la tensin tras un cero, se suele dotar a sta de rels de mnima tensin o de bobinas tensin nula, que desconectan motores en funcin de la profundidad y duracin del hueco. En caso de cortes breves de corta duracin, el proceso sera el mismo. En los de larga duracin, el rel de mnima tensin acta con toda seguridad.


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Motores sincrnicos Efectos sobre el accionamiento

Cuando se produce un hueco de tensin, al igual que los motores asincrnicos, disminuye el par motor y puede llegar a caer fuera de sincronismo si su duracin es elevada y la inercia del motor, pequea. La probabilidad de que esto ocurra no es alta, a no ser que el hueco supere el 50%, dada la gran masa inerte que estos motores generalmente poseen y sus posibilidades de sobreexcitacin. Sin embargo, si se produce, sus consecuencias suelen ser importantes.

Efectos sobre el control

Estos motores suelen disponer de interruptor y rel de mnima tensin y, por lo tanto, son aplicables las mismas consideraciones expuestas en los motores asincrnicos.

Motores de continua alimentados por tiristores

Cuando el motor est alimentado por un puente de rectificacin controlada, con inversin de

marcha mediante frenado por recuperacin, se pueden producir problemas importantes. En tal caso, si se quiere cambiar el sentido de giro del motor, hay que actuar sobre la intensidad de alimentacin y la corriente de excitacin, de forma que el motor, conservando an su primitivo sentido de giro, acta as como generador. A continuacin, se ralentiza y, posteriormente, el control vuelve a convertirlo en motor, slo que girando en sentido contrario al inicial. Si en el tiempo de frenado se origina un hueco de tensin, se produce la fusin de los fusibles de proteccin de ciertos tiristores.

2.2.3.2 Criterio de energa especfica constante La capacidad de soportar huecos de tensin que poseen los equipos de uso final depende

de la energa que estos tengan almacenados en el momento de la perturbacin en su eslabn de corriente continua. Esta afirmacin se sustenta sobre el concepto de energa especfica constante y su ecuacin general est representada por:

tVW k= Donde W es el umbral energtico que causa una disrupcin en la carga, t es la duracin de

la perturbacin, y V es la profundidad del hueco de tensin. El problema con este concepto de energa constante es que la energa entregada por el suministro de tensin es puramente dependiente de la carga. Para dar un ejemplo, k ser igual a la unidad para el caso de cargas con corriente constante, pero para el caso de impedancia constante o carga resistiva k ser igual a 2.

Para este ltimo caso donde la energa almacenada es directamente proporcional al cuadrado de la tensin la ecuacin resulta:

W = V2 . t = constante En rigor, la aplicacin del concepto energtico conduce al cambio de la ecuacin

anteriormente expuesta, a la siguiente expresin:

dtVEespecfica = 2 Esta expresin impuesta por convencin resulta una analoga a lo que sucede en el mbito

de las protecciones elctricas y que en el campo profesional es conocida como energa especfica.


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La caracterstica de la carga tambin juega un papel importante en el nivel del umbral energtico. Es decir, las cargas sensibles a los huecos tienen los valores de W muy pequeos mientras que las cargas insensibles tendrn los valores ms altos de W.

Por otro lado y segn lo expuesto, es posible asociar el concepto de energa constante a la rama de subtensin de la curva de CBEMA por medio de la siguiente ecuacin:

12455142.3 = tV Donde V es la profundidad del hueco expresada en porcentaje y t la duracin del evento

expresado en segundos.

2.2.3.3 Factores que influyen en la capacidad de soportar huecos de tensin En base al concepto enunciado en el inciso anterior sobre la capacidad del equipo sensible

para soportar el hueco de tensin sin salir fuera de servicio, es posible explicar el efecto de los factores citados a continuacin:

Voltaje previo a la perturbacin: La aplicacin del concepto de tensin al cuadrado conduce a

la conclusin de que si un equipo poda soportar un hueco, por ejemplo, del 20% por un tiempo dado estando previamente en 220 V (100 %), el mismo equipo podr soportar el doble del tiempo si el voltaje previo es de 230 V (105 %). Esto tambin podra explicar, en el caso de los contactores, el hecho de la apertura de los contactos cuando el hueco se inicia en el momento en que la tensin pasa por un cero.

En la Figura N11 se puede observar la

influencia de la tensin previa al evento, en la capacidad de soportar huecos de tensin. Por lo explicado anteriormente es de esperar que a menor tensin previa la curva de susceptibilidad se desplace hacia la izquierda. Por ejemplo la curva 1 representa la curva de susceptibilidad del equipo en estudio para una tensin previa al evento del 89 % de la nominal.

Figura N11. Influencia de la tensin previa.

Huecos repetidos: Aplicando el mismo criterio, en el caso de tener huecos simultneos se

hace necesario un tiempo para recuperar la energa prdida durante el hueco de tensin previo. En la Figura N12 se muestran distintas

curvas de susceptibilidad correspondientes a distintos tiempos de recuperacin que se le da al equipo en estudio para recuperar la energa prdida durante el hueco de tensin previo. Es decir, que la curva CBEMA (curva roja) correspondera a una duracin de recuperacin infinita. Por ejemplo, la curva sobre el extremo izquierdo corresponde a un equipo que se le aplica huecos consecutivos con un tiempo entre eventos de 0,1 ciclos. Figura N12. Influencia de huecos repetidos.


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Otros estudios sobre el caso se muestran en la figura N13 y N14. En el caso de la Figura N13 se observa el tiempo de recuperacin que requiere el equipo en funcin de la tensin luego del evento y de la profundidad del hueco de tensin. De esta figura se puede ver que si la tensin despus del evento resulta la nominal (1 p.u.) se requerir mayor tiempo de recuperacin para un hueco con profundidad del 90% que para un hueco del 50%. En cambio en la Figura N14 se representa la influencia de la duracin del hueco y la tensin posterior al hueco de tensin en el tiempo de recuperacin de la energa invertida en el evento por el equipo en estudio. De esta ltima figura se analiza que huecos de mayor duracin para una misma tensin posterior corresponde tiempos de recuperacin mayores.

Nmero de fases involucradas en la falla: La susceptibilidad de equipos trifsicos se calcula

igualmente empleando el concepto de energa faltante y su recuperacin, extendido ahora a las tres fases.

2.2.3.4 Anlisis de las zonas de vulnerabilidad Si de la ltima ecuacin del inciso 2.1.2 sacamos factor comn Z1 en el segundo miembro

resulta:

)1(

1

1

2

ZZ

Vhueco+

=

De sta expresin se observa que la profundidad del hueco depende del cociente de las impedancias de fallas y partiendo de esa relacin pueden realizarse los siguientes anlisis:

1. Si Z2/Z11 Vhueco 0 pu. Aqu tambin, para satisfacer la desigualdad, pueden plantearse dos situaciones extremas:

a. Z2 , para el caso de un cortocircuito muy alejado de la barra de distribucin. b. Z1 0.

Figura N14. Influencia de la duracin del hueco y la tensin posterior al evento en el tiempo de recuperacin de la energa.

Figura N13. Influencia de la profundidad del hueco y la tensin posterior al evento en el

tiempo de recuperacin de la energa.


20

Es decir, las fallas prximas producen huecos profundos y de corta duracin, ocurriendo la inversa si el origen de la falla est alejado del PAC.

A partir de estas conclusiones, se plantea el anlisis de vulnerabilidad de los equipos sensibles a este tipo de perturbaciones; para el cual uno de los parmetros a analizar es el valor de la impedancia del lado de carga Z2. El valor de la impedancia Z2 puede plantearse en magnitudes por unidad de longitud (mas adelante denominado con la letra z). Para ello partimos de la expresin del hueco de tensin en donde multiplicamos y dividimos por Z2 el segundo miembro:

2

1

2

1

2

1

2

21

2

2

21

1 )1()()( Z

ZZZV

ZZ

ZZZV

ZZ

ZZZV huecohuecohueco =+=++=

En el primer miembro aplicamos distributiva:

2

1

2

1 )(ZZ

ZZVV huecohueco =+

Sacamos factor comn al cociente de impedancias:

)1()1(

2

1

2

1

hueco

huecohuecohueco V

VZZ

ZZVV ==

Por ltimo despejamos la impedancia del lado de carga: ( )

hueco

hueco

VVZZ = 112

Ahora, en el caso que se quiera saber el valor de la impedancia Z2 mnima para el cual corresponde un hueco de tensin soportado por el equipo sensible, preestablecido los restantes parmetros (duracin del hueco por ejemplo), se recurre a la siguiente expresin:

( ).

.1.

.

.1.2

)1(1

crit

critcrit

crit

critcritcrit V

VzZL

VVZLzZ ===

Donde: Lcrit.= longitud mnima para el cual el equipo sensible soporta el hueco. z = impedancia de la lnea por unidad de longitud, r + j x. Vcrit.= hueco de tensin soportado por el equipo en estudio.

El usuario en estudio sufre dos tipos de huecos de tensin, el puro y el seguido de

interrupcin. El primero de ellos se presenta cuando la proteccin que desconecta la corriente de cortocircuito no se encuentra en el camino de la alimentacin del usuario en estudio. Caso contrario luego del hueco de tensin se presenta la operacin de la proteccin con el consecuente cero tensin de considerable duracin. Suponiendo el caso de una barra de subestacin de la cual salen cinco distribuidores, un usuario de los distribuidores sufrir cuatro a cinco veces ms huecos de tensin que interrupciones, ya que cualquier falla en los distribuidores vecinos se ver como hueco. A este nmero se le deben agregar los provocados por las fallas aguas arriba del PAC, sufridas por la totalidad de los alimentadores. De ah el elevado nmero de eventos y su importancia actual. Considerando que nuestro sistema de distribucin tiene una estructura de tipo radial y debido al nmero usual de lneas de distribucin, se estima que acontecen cuatro veces ms huecos de tensin que interrupciones.

As, dependiendo de la sensibilidad del equipo, muchas fallas que se suceden a kilmetros de distancia pueden causar huecos de tensin de suficiente profundidad para causar problemas en el equipo.


21

La siguiente Figura N15 es un grfico ilustrativo de simulaciones en computadora que se han realizado para determinar la cantidad total de kilmetros de lneas de transmisin que, ante una falla elctrica, causarn huecos de tensin del 10%, 15%, 20%, o 25% en dependencia de la distancia en que suceda la falla.

La figura muestra que si un equipo es sensible para una tensin de la alimentacin del 90% de la nominal (hueco del 10%), una falla que comprenda 1127 km. de lneas de transmisin causar inconvenientes. Sin embargo, si los equipos pueden resistir huecos de tensin del 25%, solamente sern vulnerables cuando las fallas en el sistema de energa estn a una distancia inferior a los 490 km.

Siguiendo con el tema de este inciso, en la Figura N16 se muestra el efecto de las fallas

producidas en distintos puntos de una instalacin industrial en lo que respecta a la profundidad y la duracin del hueco. Con ayuda de la tabla de dicha figura se puede ver que cualquier equipo conectado al PAC tendr un hueco de tensin del 99 % cuando la falla ocurra en el PAC y tendr un hueco de tensin del 35,8 % cuando la falla ocurra en el punto 5. En las tres ramas se ve que a medida que el punto de falla se aleja del PAC, la profundidad del hueco disminuye.

100 A25 mm2

315 A150 mm2

630 A800 mm2

1000 A1

2

3

4

5

30 m

60 m

90 m

120 m

2

3

4

5

50 m

100 m

150 m

200 m

2

3

4

5

40 m

80 m

120 m

160 m

Ubicacin de la falla

Intensidad [A]

Profundidad Del hueco [%]

Duracin [s]

1 22680 99 0,03 2 15891 70 0,02 3 12230 54 0,04 4 9940 44 0,08 5 8117 35,8 0,2 2 5966 73,7 0,0004 3 3435 42 0,00122 4 2412 29,8 0,0025 5 1844 22,8 0,00423 2 12088 47 0,00335 3 8240 32 0,00721 4 6250 27,6 0,0125 5 4938 21,8 0,02

Figura N 16. Cada de tensin y duracin para distintos puntos de falla en una instalacin.

2.3 NORMAS Y RECOMENDACIONES INTERNACIONALES Para dar una informacin correcta sobre la capacidad de soportar los huecos de tensin de

un equipo no es suficiente el valor de la tensin, sino que se requiere tambin la duracin, por lo que usualmente se recurre a exponer en forma de grficos con el hueco de tensin en el eje de

0

200

400

600

800

1000

1200

90% 85% 80% 75%Tensin de la alimentacin en % de la nominal

Kil

met

ros t

otale

s 69 kV 138 kV 345 kV

Figura 15. Tensin de la Planta vs Distancia en kilmetros de la Lnea de Transmisin.


22

ordenadas y la duracin en el de abscisas. Tales curvas separan al plano Vhueco vs Tevento en dos regiones denominadas aceptable o inaceptable.

ltimamente se est comenzando tambin a considerar el salto de fase soportado por ciertos equipos, sin que hasta el momento hayan sido publicados estudios ni normativas generales.

Las Normas Nacionales de calidad elctrica utilizan como referencia, con respecto a la capacidad de soportar huecos de tensin, cuatro instituciones de origen norteamericano que redactaron especificaciones al respecto. Estas son:

Computer Business Equipment Manufacturer Association (CBEMA), Information Technology Industry Council (ITIC), Federal Information Processing Standards Publication (FIPS) Electric Power Research Institute (EPRI).

2.3.1 Computer Business Equipment Manufacturer Association (CBEMA) La curva de tolerancia de tensin-duracin tambin conocido como curva de susceptibilidad

de energa son zonas de desviacin de tensin en la entrada de alimentacin versus la variable temporal. Estas curvas separan dos regiones: aceptable e inaceptable. Existen varias curvas de tolerancia de tensin pero la ms ampliamente publicada es la curva CBEMA.

La curva CBEMA que ha estado en existencia desde la dcada del 70 (1977), fue generada por la Asociacin de Fabricantes de Equipos para Negocios y Computadoras. Su objetivo principal es proporcionar una medida de vulnerabilidad de grandes sistemas informticos a las perturbaciones en el suministro de energa elctrico. Sin embargo su uso se ha extendido para dar una medida de calidad de energa para los mandos elctricos y cargas de estado slido.

Si se presta atencin en la Curva CBEMA, Figura N17, la ordenada muestra el porcentaje de desviacin de la tensin de referencia. Esta tensin de referencia est representada por |V|=0 % en el eje. En el eje de abscisas se encuentra la duracin del evento que puede ser expresada en ciclos o segundos. En este caso se encuentra en segundos.

Adems se puede observar

que posee dos zonas bien delimitadas, por sobre y debajo del valor nominal, correspondiendo a regiones de sobretensiones y subtensiones respectivamente. Tambin se marca en el grfico la zona de energa aceptable, es decir, aquellos valores de tensin y duracin del evento que el equipo puede soportar funcionando normalmente. 2.3.2 Information Technology Industry Council (ITIC)

En el ao 1997 este organismo actualiz la curva CBEMA a consecuencia del avance

tecnolgico de los equipos electrnicos resultando la curva como se muestra en la Figura N18.

Figura N17.Curva de susceptibilidad CBEMA 1977.


23

Analizando la zona de bajas tensiones se observa que esta nueva revisin considera eventos con duraciones superiores a los 20 ms. Es vlido tambin aqu considerar a la zona comprendida por las dos curvas (superior de sobretensin e inferior de subtensin), como zona segura de funcionamiento normal del equipo.

0

100

200

300

400

500

0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000

Duracin del evento [ms]

Porc

enta

je de

la te

nsi

n no

min

al [%

] (ef

icaz)

Figura N 18.Curva de aceptabilidad CBEMA-ITIC 1997.

2.3.3 Electric Power Research Institute (EPRI).

El EPRI, form un grupo de trabajo denominado SEMI Power Quality and Equipment Ride-

Throught Task Force, quien empleando una base de datos de ms de 1000 huecos de tensin sufridos por 15 fbricas de semiconductores ubicadas en puntos diferentes de Norteamrica, propone una curva de inmunidad a los huecos de tensin.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 10 100 1000 10000 100000


Porc

enta

je de

la te

nsi

n no

min

al [%

] (ef

icaz)

Figura N19. Curva de aceptabilidad SEMI F47.


24

Para tal propuesta se tuvieron en cuenta otras normas ya existentes como las IEC, CENELEC, IEEE, etc. Esta nueva propuesta se denomina SEMI F47 (Specification for Semiconductor Processing Equipment Voltage Sag Inmunity) y en la Figura N19 se muestra el grfico correspondiente.

En esencia, la norma SEMI F47 exige que los equipos de procesos de semiconductores toleren huecos de tensin en su lnea de alimentacin alterna. Especficamente, ellos deben tolerar huecos del 50 % o inferior para un tiempo de 200 ms, huecos del 70 % o inferior para una duracin de 500 ms, y huecos de tensin del 80% o inferior para un segundo de duracin del evento. Adems de estos requisitos, la norma SEMI F47 recomienda que los equipos toleren huecos del 99 % durante un ciclo, huecos del 20 % durante 10 segundos, y durante tiempos muy largos huecos del 10 %.

Comparacin de los grficos de aceptabilidad de las distintas normas

La curva de CBEMA e ITIC difieren de la manera de cmo se representa la regin

aceptable. Para el caso de La CBEMA, esta representa la regin aceptable a travs de una curva, mientras que en el caso de la norma ITIC se describe la regin mediante escalones. Sin embargo, existe el mismo principio de anlisis y es que si la tensin suministrada est dentro de la regin aceptable entonces los equipos sensibles operarn normalmente.

De los grficos se observa que la curva ITIC es menos exigente para duraciones de 2/3 a 1 ciclo (12 ms a 20 ms) y de 50 a 500 ciclos (de 1000 ms a 10000 ms), y lo es ms para el intervalo de 1 a 50 ciclos (de 20 ms a 1000 ms) si se la compara con la curva CBEMA.

Ambas curvas se han aceptado como normas y se han publicado en las ltimas versiones de IEEE Std. 446 e IEEE Std. 1100-1999. Estas curvas se han usado para varios estudios de calidad de energa y tambin en el desarrollo de ndices.

Es vlido mencionar que a diferencia con la curva CBEMA, tanto en la curva ITIC como en la SEMI F47 la instrumentacin para verificar el cumplimiento de la inmunidad del equipo sensible con dichas curvas parece ser ms fcil de disear debido a la manera simplificada que la regin aceptable es representada.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 10 100 1000 10000 100000


Porc

enta

je de

la te

nsi

n no

min

al [%

] (ef

icaz)

SEMI F47

ITICCBEMA

Figura N20. Superposicin de curvas de susceptibilidad.


25

2.3.4 Norma europea EN 50160-1995. La calidad de la tensin Las caractersticas de la tensin suministrada a travs de las redes pblicas de distribucin

estn contenidas en la norma europea EN 50160/1995 que constituye un estndar para los sistemas de distribucin en baja tensin (BT: Con valor de la Unominal inferior a 1 kV.) y media tensin (MT: Con valor de Unominal comprendido entre 1 y 35 kV.). La citada norma define y describe fundamentalmente los valores nominales y tolerancia de cuatro caractersticas de la tensin: frecuencia, amplitud, forma de onda y simetra de tensiones trifsicas, aunque expone valores orientativos para otras caractersticas. Las especificaciones son definidas bajo condiciones normales de operacin; lo que supone la atencin a la demanda y la eliminacin de fallas por el sistema automtico de proteccin, en ausencia de condiciones excepcionales debidas a influencias externas o causas de fuerza mayor. Para la mayor parte de las caractersticas se impone que durante el 95%, como mnimo, de una semana su valor medio en intervalos de 10 minutos est comprendido entre los lmites especificados (en la tabla N2, designado como 10 m/95%/semana.).

Caracterstica Baja Tensin Media Tensin

Frecuencia 50 Hz 1% (10s/95%/semana) 50 Hz +4%/-6% (Todo el tiempo/100%/semana)

Valor eficaz de la tensin Valor nominal Un Valor declarado Uc (1KvUc35Kv)

Variaciones de tensin Un10% (10m/95%/semana) Uc10%(10m/95%/semana) Cambios rpidos de tensin 5% de Un

10% de Un espordicamente Parpadeo (flicker):Plt1 (10m/95%/semana)

4% de Uc 6% de Uc espordicamente Parpadeo (flicker):Plt1 (10m/95%/semana)

Huecos de tensin Unas decenas hasta 1000 por ao, profundidad inferior a 60% de Un y duracin inferior a 1 seg.

Unas decenas hasta 1000 por ao, profundidad inferior a 60% de Uc y duracin inferior a 1 seg.

Armnicos de tensin U35% U91,5% U150,5% U210,5% U56% U75% U113,5% U133% U172% U19...U231,5% U22% U41% U6...U240,5% THD8% considerando hasta orden 40

Desequilibrio de tensin Componente de secuencia inversa inferior al 2% de la componente de secuencia directa (10m/95%/semana)

Interrupciones de corta duracin

Orden de varios cientos por ao, con duracin inferior a 1seg en el 70 % de los casos.

Orden de varias decenas hasta varios cientos por ao, con duracin inferior a 1seg en el 70 % de los casos.

Interrupciones de larga duracin

Duracin superior a 3min De 10 a 50 por ao, sin considerar interrupciones programadas

Sobretensiones repetitivas entre conductores y tierra

1,5KV valor eficaz 1,7 Uc en sistemas con neutro puesto a tierra 2,0Uc en sistemas con neutro aislado o puesta a tierra resonante

Sobretensiones transitorias entre conductores y tierra

6KV

Tabla N2: Caractersticas de tensin en redes pblicas de distribucin en BT y MT segn NORMA EN 50160.


26

2.4 PREDICCION Y CONFIABILIDAD DE LOS HUECOS DE TENSION Existen diversos mtodos para predecir para un sistema elctrico determinado la posibilidad

de que se presenten los huecos de tensin.

Histrica. Esta utiliza los antecedentes de huecos que se han sucedido en un determinado sistema considerando la profundidad y duracin de los mismos y prestando especial atencin aquellos que estn fuera de la zona de aceptabilidad de los equipos sensibles involucrados. Con los resultados obtenidos se construyen grficos de nmero de huecos de tensin en funcin de la profundidad y la duracin, en la cual se puede superponer la curva CBEMA y de esta manera se podr conocer el nmero posible de salidas de servicio del equipo en anlisis (Ver Figura N 21).

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1Duracin [seg.]

Huec

o de

tens

in

[%]

5 eventos por lugar por ao

10 e/l/a

15

20

2225

Figura N21. Probabilidad de ocurrencia.

Tendencia general. Consiste en obtener una tendencia en el nmero de perturbaciones.

Observando la Figura N22 que nos muestra el grfico de la probabilidad relativa vemos que la tendencia a seguir puede ser expresado como:

)1( huecohueco

VVN =

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1Hueco de tensin [pu]

Prob

abilid

ad R

elativ

a

Figura N22. Probabilidad Relativa de los huecos de tensin.

Indices. Los nuevos ndices deben ser capaces de dar la informacin del nmero de huecos de

tensin, considerando su profundidad y duracin. El concepto a aplicar consiste en dividir a la zona


27

de huecos en magnitud y duracin, en subzonas, con las distintas duraciones y tensiones del 10, 50, 70, 80 y 90 % de la nominal. De esta forma surgen los siguientes ndices:

111... System Average RMS (variation) Frequency Index voltage (SARFIx): Representa el nmero promedio de eventos con huecos de tensin que ocurrieron en el perodo en estudio por consumidor alimentado, cuando la magnitud fue inferior a x.

T

iX N

NSARFI =

Donde: x = valor de la tensin de alimentacin en % de la nominal (10, 50, 70, 80 o 90 %) Ni = nmero de consumidores que sufren un hueco de corta duracin, con magnitud por debajo de x debido al evento medido i. NT = nmero total de consumidores alimentados por la seccin del sistema en estudio.

222... System Instantaneous Average RMS (variation) Frequency Index voltage (SIARFIx): Representa el nmero promedio de eventos con huecos de tensin instantneos que ocurrieron en el perodo en estudio por consumidor alimentado, cuando la magnitud fue inferior a x y la duracin estuvo comprendida entre 0,5 y 30 ciclos (10 ms a 600 ms).

T

iX N

NISIARFI =

Donde: NIi = nmero de consumidores que sufren un hueco instantneo, con magnitud por debajo de x debido al evento medido i.

333... System Momentary Average RMS (variation) Frequency Index voltage (SMARFIx): Representa el nmero promedio de eventos con huecos de tensin momentneos que ocurrieron en el perodo en estudio por consumidor alimentado, cuando el valor de tensin fue inferior a x y la duracin estuvo comprendida entre 30 ciclos y 3 segundos.

T

iX N

NMSMARFI =

Donde: NMi = nmero de consumidores que sufren un hueco momentneo, con magnitud por debajo de x debido al evento medido i.

444... System Temporary Average RMS (variation) Frequency Index voltage (STARFIx): Representa el nmero promedio de eventos con huecos de tensin temporarios que ocurrieron en el perodo en estudio por consumidor alimentado, cuando el valor de tensin fue inferior a x y la duracin estuvo comprendida entre 3 y 60 segundos.

T

iX N

NTSTARFI =

Donde: NTi = nmero de consumidores que sufren un hueco temporario, con magnitud por debajo de x debido al evento medido i.

Como ejemplo, se muestra la siguiente tabla que da los ndices de confiabilidad de un

sistema hipottico.


28

X SARFIX SIARFIX SMARFIX STARFIX 90 27,5 22,7 4,3 0,5 80 13,6 8,8 4,3 0,5 70 7,3 2,5 4,3 0,5 50 4,8 0,5 3,8 0,5 10 4,3 Indefinido 3,8 0,5

Tabla N3. Indice SARFIX Estos ndices tienen como principal ventaja respecto a los anteriores (SAIFI Y CAIFI), la de

brindar mucho ms informacin esencial. Adems, otro punto a favor del ndice de SARFIx es que permite la evaluacin de variaciones en valores eficaces para un nivel de tensin especificado. Como puntos desfavorables se puede mencionar:

El mtodo no captura eventos trifsicos. Aparte de ser una cantidad estadstica del evento del hueco de tensin, el SARFIx no realiza verdaderamente una medicin de energa, potencia, o cualquier disrupcin de carga cuantitativa.

En la figura N 23 se muestra la

frecuencia de ocurrencia de huecos de tensin de un lugar particular. Este grfico coincide con estudios de investigacin realizado por EPRI que encontr que un hueco del 20 % aproximadamente y duracin de entre y 10 ciclos son los ms comunes.

Figura N23. Probabilidad de ocurrencia de

un lugar particular.

2.5 ANLISIS DE CORRECCION O MITIGACION DE PERTURBACIONES Se entiende que el concepto de correccin de perturbaciones engloba a cualquier medida

que se adopte en una instalacin o en los receptores conectados a la misma para que su funcionamiento sea satisfactorio en el entorno considerado.

La solucin del problema no es trivial pues, por una parte, el entorno afecta al funcionamiento de los equipos susceptibles o sensibles a las perturbaciones pero, por otra parte, stos tambin comparten la culpabilidad de la degradacin de la calidad del suministro por producir, a su vez, emisin de perturbaciones.

Algunos de los dispositivos con que se cuenta actualmente y que son utilizados para la correccin de perturbaciones en lneas elctricas pueden corregir simultneamente varios tipos de perturbaciones. Por ello, se puede distinguir entre:

Dispositivos especficos Dispositivos universales Adems, la correccin o mitigacin de las perturbaciones que afectan la calidad de potencia

puede efectuarse desde dos puntos de vista:


29

Desde el punto de vista de la emisin de perturbaciones. Las medidas consisten en

incorporar los dispositivos adecuados para que los equipos emitan perturbaciones por debajo del lmite a partir del cual pueden afectar al funcionamiento de otros receptores situados en su entorno.

Desde el punto de vista de la inmunizacin frente a perturbaciones. Por ejemplo, el cumplimiento de la Compatibilidad Electromagntica (CEM) exige que los equipos funcionen correctamente y sin sufrir deterioro hasta unos determinados niveles de perturbacin. Las medidas consisten en incorporar los dispositivos necesarios para que dichos equipos sean inmunes a esos niveles CEM. (ver ANEXO B)

2.5.1 Estudio de soluciones frente a los Huecos de Tensin Las acciones para hacer frente a los efectos de los huecos de tensin son diferentes segn

se trate de una instalacin nueva que se va a conectar por primera vez o de una que ya est en funcionamiento.

En el primer caso, deber hacerse un estudio previo para la eleccin del punto de conexin

comn ms adecuado. Si la instalacin est en funcionamiento, lo primero que hay que hacer es documentar el

problema, obteniendo informacin sobre:

1. El instante en el que ocurren las perturbaciones y su correlacin con fallas en la red de suministro o en las instalaciones del cliente.

2. Tipo de perturbacin interna que se produce. 3. Registro de perturbaciones, a fin de identificar las fallas que originan los huecos y su

duracin. 4. Prdidas de produccin o de otro tipo. 5. Grado de insensibilizacin.

A partir de los datos anteriores, se ha de evaluar la situacin y definir las medidas que

pueden adoptar la empresa suministradora y el cliente.

Medidas que puede adoptar la empresa suministradora

Elevar la potencia de cortocircuito de la zona. Con ello, se consigue disminuir el rea de influencia de la fallas, reduciendo as el nmero y profundidad de los huecos.

Reducir el nmero de huecos:

1. Actuando sobre las instalaciones en las zonas con alto ndice de fallas; por ejemplo, resolviendo problemas de contaminacin, nieblas, mal estado de los materiales, realizando tareas de poda de rboles, instalando elementos anti-animales, reemplazando conductores areos desnudos por aislados, lavando aisladores, etc.

2. Comprobando que los sistemas de proteccin contra las sobretensiones atmosfricas son adecuados, verificando la cantidad de descargadores y de hilos de guardia.

3. Cambiar la configuracin del circuito de ser necesario y/o factible. Reducir la duracin de los huecos comprobando que los tiempos de eliminacin de fallas son

normales.


30

Operar el sistema separando, si es posible, el punto de conexin del cliente, de las zonas que estn muy expuestas a fallas; por ejemplo, usando transformadores independientes.

Medidas que puede adoptar el cliente

Reducir en lo posible el tiempo de eliminacin de las fallas.

Prever que el sistema de protecciones soporte la reaceleracin.

Si posee una fuente de generacin propia:

1. Disponer los servicios prioritarios sobre la barra que, desde el punto de vista elctrico, est ms prxima a ella. Se consigue as disminuir la profundidad de los huecos.

2. Prever sistemas de desacoplamiento de consumos prioritarios sobre la generacin propia en caso de perturbacin. Esto puede reducir la duracin de los huecos si bien conlleva los riesgos asociados al aislamiento de la planta.

Conmutar a un suministro alternativo. Se produce un paso por cero que puede ser inmunizado.

Inmunizar la instalacin.

Medidas de inmunizacin de las instalaciones del cliente

La inmunizacin de una instalacin no es una medida que pueda aplicarse a todos los

casos. Dado su elevado costo, es necesario valorar su idoneidad caso por caso:

Para duraciones inferiores a 1 segundo, es econmicamente viable, ya que afecta principalmente a los sistemas de control con potencias moderadas.

Para los huecos superiores a 1 segundo es mucho ms costosa. Slo se justifica

econmicamente en aquellas partes de la instalacin que tienen potencia reducida y cuya permanencia es de gran importancia, como, por ejemplo, los centros de proceso de clculo y sistemas de control.

Por su relevancia tcnica y econmica, se enumeran a continuacin los medios de inmunizacin o mitigacin ms comunes de las instalaciones de los clientes, agrupados segn sean sistemas de correccin especficos o universales.

2.5.1.1 Sistemas de correccin especficos

Sistemas de retencin o reenganche de contactores: Resultan indicados para cargas menores a unos VA y para huecos o cortes breves de menos de 1 segundo. Esta medida se basa en la utilizacin de retardadores capacitivos que evitan la apertura de los contactos ante una reduccin brusca de la tensin de alimentacin.

Conjunto motor-generador con volante de inercia: Es apropiado para cargas inferiores a

500 kVA y para huecos de menos de 0,5 segundos. La energa cintica almacenada permite mantener la velocidad del sistema durante intervalos cortos de tiempo. Cuando aparece un hueco de tensin, la energa mecnica se libera, manteniendo la tensin de alimentacin.


31

Alimentaciones de corriente continua: Esta solucin es muy aplicada en sistemas de

seguridad, en equipos de telecomunicaciones y en el suministro de rels y contactores. Estas unidades contienen un rectificador y una unidad de almacenamiento de energa:

Fuente continua con condensador de almacenamiento: La descarga del condensador

mantiene la alimentacin de un circuito de corriente continua frente a un hueco. Es eficaz para cargas menores a unos VA y para huecos o cortes breves inferiores a 1 segundo.

Fuente continua con batera de almacenamiento: Es indicada para cargas menores a

300 kVA. Su funcionamiento es parecido al del dispositivo anterior. La diferencia principal entre ambos es que en este caso se utiliza una batera como medio de almacenamiento, lo que permite hacer frente a interrupciones de mayor duracin.

Conjunto motor de alternaalternador con volante de inercia y motor trmico de

emergencia: Es adecuado para cargas de menos de 500 kVA. Cuando entra el motor trmico de emergencia, puede producirse un paso por cero de corta duracin.

Conjunto rectificador-batera-motor de corriente continua-alternador con volante de

inercia: Resulta indicado para cargas menores de 500 kVA.

Conmutacin a alimentacin de socorro: Indicada para cargas inferiores a 1.000 kVA. Implica un paso por cero de 0,4 segundos y la disponibilidad de alimentacin indefinida desde la nueva fuente.

Grupo de socorro diesel: Tambin resulta apropiado para cargas de menos de 1.000 kVA.

Protector electrnico de huecos (ESP, Electronic Sag Protector): Este dispositivo es apto

para mantener la tensin, durante un corto perodo, ante la aparicin de interrupciones y huecos de tensin; por este motivo se requiere que este equipo tenga un tiempo de respuesta mnima (en algunos casos menores a de ciclo).

Para la correccin de la mayora de los huecos de tensin, la tensin faltante se desarrolla

utilizando energa de la misma lnea de la empresa de servicios. Para huecos de tensin profundos, menos de 50% de tensin nominal, se utiliza el almacenamiento de energa capacitiva. El equipo posee las siguientes caractersticas:

1. Mdulos de conversin de energa de nica etapa. 2. Mnima energa almacenada en tablero (sin batera).

Tal como se muestra en la Figura N24 el

ESP est compuesto por un convertidor, con componentes de estado slido, que convierte la tensin de lnea entrante a una forma de onda de amplitud de pulso modulada (PWM). Esta onda es filtrada para producir la tensin faltante la cual se agrega a la tensin entrante para rellenar; obteniendo de esta forma la onda de tensin original.

Figura N24. Diagrama en bloque del ESP.

Regulador y modulo de almacenamiento

Interruptor Derivacin

EstticoCarga con

alimentacin protegida

Entrada no protegida


32

El convertidor tiene la capacidad de almacenar energa, mediante capacitores electrolticos, con la finalidad de brindar apoyo a la carga en el caso de huecos ms profundos (mayores del 50%).

Un componente importante del ESP es el interruptor de derivacin esttico el cual permanece cerrado bajo condiciones normales haciendo circular la tensin de la empresa de servicio. Durante el hueco es energizado el inversor retirndose el paso de derivacin e insertando el convertidor de PWM en serie con la empresa y con la carga. Luego del hueco el convertidor se apaga y el derivador se vuelve a cerrar. Este es operado mediante un microprocesador que sincroniza con la empresa de servicio y a su vez regula la tensin de salida controlando la tensin del convertidor agregado a la tensin de lnea entrante.

El ESP puede ser instalado para la proteccin de circuitos o una carga en particular o para proteger un panel de distribucin general, centro de control operado a motor o hasta una subestacin o instalacin completa. El mismo pude ser utilizado en instalaciones monofsicas desde 1,5 KVA o trifsicas hasta 2000KVA.

2.5.1.2 Sistemas de correccin universales Se engloba bajo esta denominacin a los correctores de red que son capaces de corregir

prcticamente la totalidad de las perturbaciones. Los ms conocidos son los llamados SAI, es decir, los diversos tipos de sistemas de

alimentacin ininterrumpida, los que por lo general son eficaces para cargas menores de 1.000 kVA. Recientemente, se ha iniciado la fabricacin de dispositivos, basados en nuevas topologas de potencia, que se sitan entre los cambiadores de tensin y los SAI y reciben el nombre de acondicionadores de red.

Sistemas de alimentacin ininterrumpida (S.A.I.): Tambin llamado UPS (Unlimited Power

System). Un UPS es un equipo que acta como red de suministro elctrico de baja distorsin, de buena regulacin tanto en su tensin de salida como en su frecuencia, destinado a alimentar cargas crticas. Son uno de los equipos que mejor contrarrestan las perturbaciones de la red. Su caracterstica especfica es su capacidad para mantener la alimentacin de la carga en ausencia de la red durante un cierto tiempo, llamado de autonoma, que suele situarse entre 10 minutos y varias horas. Los bloques bsicos que componen una UPS son: un convertidor AC/DC, un sistema de almacenamiento de energa compuesto por bateras, un convertidor DC/AC de alta calidad y un dispositivo de control con by-pass.

En la Figura N25 se observa la interconexin de estos bloques en dos modos de funcionamiento de estos sistemas, conocidos como: 1) en espera (off line); 2) de servicio continuo (on line).

SAI fuera de lnea (off-line) o en espera. En este caso la carga crtica est

permanentemente conectada a la red y un cargador de bateras de baja capacidad de carga mantiene al sistema de bateras en estado ptimo. En caso de una falla de red, el sistema de control conmuta la alimentacin de la carga crtica al sistema formado por bateras y convertidor AC/DC (cargador de bateras) no debe soportar las exigencias de potencia de salida. Tiene el inconveniente de generar, durante el tiempo de conmutacin de la llave, una microfalla y requiere de una buena tensin de lnea para el funcionamiento normal.

SAI en lnea. En este caso la carga crtica est permanentemente conectada al convertidor

DC/AC de alta calidad, el cual, a su vez, es alimentado por el sistema de bateras y un convertidor AC/DC de alta capacidad de potencia es el encargado de devolver a las bateras la energa


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consumida. Frente a una falla de lnea, no existir ningn tipo de perturbacin en la carga ya que el sistema convertidor DC/AC sigue funcionando normalmente directamente desde las bateras. Posee un by-pass o conmutador a red que, en caso de falla del inversor o cuando deban realizarse tareas de mantenimiento, conecta la carga a dicha red. El sistema de control est encargado de mantener el sistema de alimentacin de la carga crtica enganchado en frecuencia a los efectos de que, en el momento en que el by-pass opere, los transitorios sean minimizados. Este sistema tiene las ventajas de producir una tensin de alimentacin regulada, sinusoidal de baja distorsin y sin transitorios a costa de un mayor precio. Debido a la disminucin del costo de los semiconductores y de la mejora que se obtiene en cuanto a la calidad de la tensin de alimentacin, ste es el esquema ms utilizado en la actualidad.

Figura N25a. Sistema UPS Off Line.

Figura N25b. Sistema UPS On Line. Todas las tendencias analizadas en la concepcin de los convertidores AC/DC y DC/AC son

aplicados a los sistemas ininterrumpidos de potencia, por lo que estructuras compactas, livianas, donde los elementos de filtro y aislacin han sido reducidos gracias a la implementacin de tcnicas PWM de alta frecuencia marcan la tendencia en el desarrollo de los UPS modernos.

A efectos de reducir los tiempos de conexin y desconexin del inversor by-pass, stos se realizan en forma esttica, usando generalmente una conexin antiparalelo de SCR.

La realizacin de control mediante microprocesadores ha permitido la aparicin de UPS inteligentes que son totalmente independientes y autosuficientes ante cualquier evento. Estos controles realizan la supervisin del estado del UPS y actan en consecuencia. Indican los problemas existentes y la solucin adoptada, as como las partes a sustituir en el equipo de mantenimiento.

Todas stas indicaciones pueden aparecer sobre su propio monitor o transmitidas a los sistemas de cmputos que alimenta o comunicadas al sistema de mantenimiento. Al mismo tiempo la evolucin de la situacin crtica puede irse registrando en una impresora para que quede constancia de lo ocurrido y poder efectuar su anlisis a posteriori. Si se llega a la situacin lmite de corte de suministro a la carga crtica, el propio UPS ejecuta la desconexin ordenada de la carga.

Es importante no olvidar su fuente interna de alimentacin. Esta debe ser el elemento de mayor fiabilidad del conjunto. Por esta razn se suele adoptar soluciones redundantes. Se suele

DC

AC

By pass

Falla de red Presencia de red

Lnea Principal

Cargador de

Bateras

DC

AC

By pass

Falla de red Presencia de red

Lnea Auxiliar

AC

DC


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emplear una fuente de alimentacin realizada a partir de la batera. Otras veces se alimenta con batera y cargador independientes.

Transformador Ferrorresonante o transformador de voltaje constante (CVT`S): El

Transformador Ferrorresonante (Figura N26) es un sistema que mantiene Energa Almacenada en forma Oscilante, a la misma frecuencia y en fase con la tensin de lnea. Cuando se produce un micro-corte en la entrada se libera la energa almacenada, filtrando as, el evento.

El primario del mismo opera en modo lineal y la accin del "regulador shunt" controla la cantidad de flujo magntico que llegar al secundario, estabilizando as, la tensin de salida.

Adems de contrarrestar los huecos

de tensin, tienen la capacidad de filtrar ruidos, picos de tensin y si el nivel de tensin a la entrada es bueno filtran tambin las armnicas. Su circuito resonante almacena la energa necesaria para alimentar a la carga cuando se producen interrupciones de hasta medio ciclo.

Poseen la ventaja de no tener partes mviles ni componentes electrnicas activas lo que lo hace muy confiables. Su tiempo de respuesta es inferior a 3/2 de ciclo lo que implica que al producirse un hueco de tensin en menos de 25 ms la tensin de salida quedar regulado.

Por otra parte, adems de ser ruidosos tienen la desventaja de su falta de eficiencia que es del 90% a plena carga y del 68% a 38% de carga.

Como se observa en la Figura N27, estos reguladores tienen una alinealidad muy deseable: si la tensin de entrada vara mucho, la de salida variar muy poco. Esto se consigue mediante el circuito resonante sintonizado a la frecuencia de lnea que acta sobre el "shunt" del transformador.

Figura N28.Circuito elctrico simplificado del Transformador Ferrorresonante.

Figura N27. Rango de funcionamiento del Transformador Ferrorresonante.

Micro-Smes: La operacin bsica de un sistema completo de los SMES es muy simple y su

principio de funcionamiento est basado en la propiedad que poseen los materiales

Figura N26. Transformador Ferrorresonante.


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superconductores a baja temperatura, de no ofrecer casi ninguna resistencia a las corrientes elctricas. En primer lugar la tensin de la transmisin de la red se reduce de algunos cientos kilovolts a varios cientos volts usando un transformador. Luego se convierte en corriente continua la cual alimenta a la bobina del SMES constituida por un alambre en espiral de material superconductor sumergido en helio lquido, al no ofrecer sta, resistencia al paso de la corriente, la energa generada en forma de campo magntico se puede almacenar y cuando las redes de distribucin requieren un alza de la energa, por ejemplo cuando hay huecos de tensin, inestabilidades de la tensin y de la frecuencia, etc., la bobina se descarga actuando como fuente de energa y el voltaje de corriente continua se convierte nuevamente en corriente alterna a travs de un convertidor.

Los SMES son altamente eficientes en almacenar la electricidad (eficacia mayor del de 97%), y proporcionan energa verdadera y reactiva. Las bobinas de los SMES varan de tamao dependiendo de la energa que se requiera almacenar.

Figura N29. Sistema SMES.

Acondicionadores de red: Son dispositivos cuya misin es corregir las perturbaciones en

tensin (red de alimentacin) y en corriente (cargas contaminantes). Suelen estar constituidos por una fuente de tensin en serie con la red, que se encarga de corregir las perturbaciones de la tensin, y una fuente de corriente en paralelo, que corrige las perturbaciones de corriente generadas por los receptores. Este dispositivo resulta una combinacin de los filtros activos de tensin y los filtros activos de corriente.

2.5.1.3 Consideraciones finales La eleccin del sistema de correccin ms adecuado exige un estudio particular de cada

caso concreto, ya que cada tipo de emisin de perturbaciones suele requerir soluciones especficas. Es evidente que en la eleccin se debe tener en cuenta el costo inicial del dispositivo, pero tambin han de ser considerados otros factores (mantenimiento, fiabilidad, rendimiento, etc.) que tienen una gran influencia en su eficacia.

A ttulo de ejemplo, la Tabla N4 recoge una comparacin de diferentes sistemas de correccin, utilizando como parmetro de referencia su rendimiento energtico.

Cabe sealar que, en algunos casos, hay que utilizar combinaciones de varios dispositivos. Por ejemplo, es necesario instalar filtros de armnicos juntos a los SAI, ya que estos ltimos son fuentes de armnicos.


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Sistema corrector 1 KVA 10 KVA 100 KVA

Supresor 100 100 100 Filtro RF 98 99 100 Transformador de ultraaislamiento 92,5 97,7 98,5 Estabilizador de tomas con autotransformador 97,7 98,5 99 Estabilizador de tomas con transformador 94,5 97 98 Estabilizador por divisor inductivo 85 89 - Estabilizador Ferrorresonante 80 - - SAI fuera de lnea (muy variable con modelo) 96 98 - SAI en linea 75 85 91

Tabla N4. Rendimiento energtico en % de algunos sistemas de correccin A modo de comparacin se dan en la Tabla N5 la informacin adicional a cerca de la

conveniencia de la eleccin entre el UPS, el ESP y el CVT.

Tipo de incidente / evento % del total de eventos CVT ESP UPS Descargas / enclavar 5 Resuelve Resuelve Resuelve Huecos hasta 80 % 35 Resuelve Resuelve Resuelve Huecos entre 50-80% 45 No Resuelve Resuelve Resuelve Salida de servicio e/ 0-0,15 seg. 7 No Resuelve Resuelve Resuelve Salida de serv. e/ 0,15-500 seg. 4 No ResuelveNo Resuelve Resuelve Salida de serv. mayor a 500 seg. 4 No ResuelveNo Resuelve Un Poco % de eventos PQ resueltos 100 40 92 96 Rango en KVA 1-300 KVA 1-2000 KVA 0,2-1000 KVA

Tabla N5. Comparacin entre soluciones existentes.

2.5.2 Punto de Conexin comn De la lectura de los captulos anteriores se desprende que la correcta seleccin del PAC es

uno de los factores determinantes para disminuir tanto los efectos que producen los receptores perturbadores sobre la red, como los de las perturbaciones que transmite la red sobre los receptores que son sensibles a ellas.

Lgicamente, esta medida slo puede adoptarse cuando se trata de una instalacin que va a ser conectada por primera vez a la red de alimentacin elctrica, pero en cualquier caso, dada su importancia, debera ser tenida en cuenta desde la misma fase del proyecto de la instalacin.

Este factor ha de ser tomado en consideracin preferentemente en aquellas instalaciones que disponen de un equipamiento singular, ya sea por su especial sensibilidad a posibles perturbaciones (equipos de control automtico, ordenadores, variadores de velocidad para motores, etc.) o por su capacidad de ser emisores de las mismas (rectificadores, hornos de arco e induccin, grandes motores, etc.).

Los usuarios de estas instalaciones deben dirigirse a la empresa suministradora aportando la informacin precisa para que sta pueda seleccionar el PAC que mejor satisfaga sus intereses, teniendo en cuenta los requerimientos de calidad del suministro necesarios para el tipo de equipamiento que se va a instalar y los condicionantes de la red.

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Capítulo 2 (Huecos de Tensión)