tesis atp.pdf

7/25/2019 tesis atp.pdf

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INSTITUTOPOLITCNICONACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA

SECCIN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIN

DESARROLLO DE UNA METODOLOGA

PARA LA SOLUCIN DE PROBLEMAS

DE CALIDAD DE LA ENERGA EN REDES

DE DISTRIBUCIN

TESIS

Que para obtener el grado de:

Maestro en Ciencias con Especialidad en

Ingeniera Elctrica, opcin Sistemas de Potencia

PRESENTA:

JUAN GABRIEL MORENO OLMOS

MXICO, D.F. JUNIO 2007


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A San Judas Tadeo

por mi poquita fe

A mis padres:

Mara Teresa y Jess

Con amor y una eterna gratitud por haberme

apoyado en la senda de la superacin.

Gracias.

A mis hermanos:

Carmen y Jos

Con cario, por tener la fortuna de contar

con su fraternal

respaldo y comprensin.

Gracias.

A mis abuelitas

Josefina()y Carmen,

Por su apoyo incondicional,siempre en mi mente

Gracias.


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AEly:

Con amor, a mi esposa

por ser una persona especial,

por el apoyo y motivacin

que me brinda en todo momento.

Mil gracias.


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AGRADECIMIENTOS:

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologa.

A la Seccin de Estudios de Posgrado e Investigacin, ESIME-Zacatenco

Al M en C. Gilberto Enrquez Harper, por creer en mi y sobre todo por brindarme sus conocimientos,paciencia y amistad.

Agradezco infinitamente al M. en C. Oscar Amaya Zepeda, por sus grandes consejos y gua para estetrabajo, pero sobre todo por ser mi amigo.

Quiero agradecer a mis sinodales Dr. Daniel Olgun Salinas, Dr. Ricardo Mota Palomino, Dr. JaimeRobles Garca, Dr. Jos Alberto Gmez Hernndez y M. en C. Tomas I. Asian Olivares, gracias por

sus comentarios.

Quiero agradecer a todos mis maestros de la SEPI y personal no docente, por todos los conocimientostransmitidos y por su amistad, en especial al Sr. Ricardo Richard Monterrubio por su apoyo.

A todos mis compaeros y amigos con quienes compart alegras y tristezas significando un apoyoimportante, dndome su ayuda de la manera ms sincera.

Al pasante de D.G. Antonio Ortiz Garca por el apoyo y ayuda brindada en la mayor parte de figurasde esta tesis.


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Resumen

i

Resumen

En esta tesis se presentan una revisin de conceptos asociados a la calidad de energa, pero

en particular a disturbios como transitorios por maniobra en bancos de capacitores, la distorsin

armnica en instalaciones con cargas no lineales y el parpadeo o efecto flicker en un sistema

industrial con carga altamente fluctuante. Para los tres fenmenos anteriores, se realizo el anlisis

metodolgico general y particulares con apoyo de simulacin computacional en DIgSILENT y

ATPDraw, con la reproduccin de los mencionados problemas y la(s) solucin(es) para todos los

casos, en instalaciones industriales con su consecuente interrelacin con el sistema de distribucin

considerando el marco de normas y especificaciones nacionales (CFE), a excepcin de los

transitorios por maniobra en bancos de capacitores que se sustento en una recomendacin

internacional (IEEE), con la finalidad de conocer si los disturbios no afectan, afectan pero se esta

dentro de los limites de normativa o la mitigacin es plenamente necesaria (limites rebasados).


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Abstract

ii

Abstract

In this thesis are presented a revision of concepts associated to the power quality, but in

particular to disturbances like transient for switching of capacitor banks, the harmonic distortion in

facilities with non lineal loads and the effect flicker in an industrial system with highly fluctuating

load. For the three previous phenomena, one carries out the general methodological analysis and

particulars with support of simulation computational in DIgSILENT and ATPDraw, with the

reproduction of the mentioned problems and the solutions for all the cases, in industrial facilities

with their consequent interrelation with the distribution system considering the guidelines of

standard and national specifications (company CFE), to exception of the transient for switching of

capacitor banks that you sustenance in an international recommendation (IEEE), with the purpose of

knowing if the disturbances don't affect, they affect but you this inside you limit them of normative

or the mitigation is fully necessary (you limit exceed).


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ndice General

iii

NDICE GENERALPgina

Resumen iAbstract iindice Generalndice de Figuras

iiix

ndice de Tablas xviGlosario xx

CAPTULO I.- INTRODUCCIN 1

1.1 Introduccin 2

1.2 Objetivos 3

1.1.1 Objetivo General 31.1.2 Objetivos Particulares 3

1.3 Justificacin de la tesis 4

1.4 Publicaciones de resultados de esta tesis 5

1.5 Aportaciones de la tesis 6

1.6 Estado del arte 7

1.7 Metodologa general propuesta para la solucin de problemas de calidad de laenerga 8

1.8 Estructura de la tesis 9

CAPTULO II.- REVISIN DE FENMENOS DE CALIDAD DE LAENERGA Y SUS EFECTOS 10

2.1 Calidad de la Energa Elctrica 11

2.1.1 Introduccin 112.1.2 Antecedentes histricos 112.1.3 Definiciones e importancia 122.1.4 Calidad de la energa como calidad de voltaje 142.1.5 Costos de la Calidad de Energa 152.1.6 Fenmenos electromagnticos 172.1.7 Categoras y caractersticas de los problemas de calidad de energa 18

2.2 Clasificacin de disturbios 192.2.1 Introduccin 192.2.2 Origen de disturbios 20


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ndice General

iv

Pgina

2.3 Fenmenos de la Calidad de la Energa 21

2.3.1 Transitorios 212.3.1.1 Impulso 212.3.1.2 Oscilatorio 222.3.1.3 Efectos en los equipos debido a los transitorios 23

2.3.2 Variaciones de Corta Duracin 242.3.2.1 Sags ( dips) 242.3.2.2 Efectos en los equipos debido a sags 252.3.2.3 Swell 252.3.2.4Efectos en los equipos debido a los swell 252.3.2.5 Interrupciones 26

2.3.2.6 Efectos en los equipos debido a interrupciones 27

2.3.3 Variaciones de Larga Duracin 272.3.3.1 Efectos en los equipos debido a las variaciones de larga duracin 272.3.3.2 Sobrevoltaje 282.3.3.3 Efectos en los equipos debidos a los sobrevoltajes 282.3.3.4 Bajo voltaje 282.3.3.5 Efectos en los equipos debido a bajo voltajes 282.3.3.6 Interrupciones sostenidas 292.3.3.7 Efectos en los equipos debidos a interrupciones sostenidas 29

2.3.4 Desbalance de voltaje 29

2.3.4.1 Efectos en los equipos debido a desbalance de voltaje 30

2.3.5 Distorsiones en la forma de onda 302.3.5.1 Componente de Corriente Directa 312.3.5.2 Efectos en los equipos debido a la componente de CD 312.3.5.3 Armnicas 312.3.5.4 Efectos en los equipos debido a las armnicas 322.3.5.5 Interarmnicas 322.3.5.6 Efectos en los equipos debido a las interarmnicas 322.3.5.7 Notching 332.3.5.8 Ruido 342.3.5.9 Efectos en los equipos debido al ruido 35

2.3.6 Fluctuaciones de voltaje 362.3.6.1Efectos en los equipos debido a fluctuaciones de voltaje 36

2.3.7 Variaciones en la frecuencia 372.3.7.1 Efectos en los equipos debido a variacin en la frecuencia 37


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v

Pgina

CAPTULO III.- TRANSITORIOS POR MANIOBRA EN BANCOSDE CAPACITORES EN PARALELO: CASOS DE ESTUDIO YSOLUCIONES 39

3.1 Introduccin 40

3.2 Soluciones al problema de transitorios en bancos de capacitores 42

3.3 Metodologa para resolver problemas de sobrevoltajes transitorios en bancos decapacitores 43

3.4 Curvas CBEMA e ITI 44

3.5 Propuesta de proteccin de equipo sensible IEEE 47

3.6 Sistema a analizar 48

3.6.1 Energizacin inrush 50

3.6.1.1 Inductor fijo 533.6.1.2 Problemas asociados de calidad de energa a la maniobra de bancos de

capacitores 56

3.6.2 Energizacin por maniobra back-to-back 57

3.6.2.1 Impedancia de pre-insercin 61

3.6.3 Transitorio de corriente outrush por una falla cercana 65

3.6.4 Magnificacin de voltaje 68

3.6.4.1 Apartarrayos de xidos metlicos: modelado y uso 723.6.4.1.1 Modelado del apartarrayos 723.6.4.1.2 Aplicaciones del apartarrayos 72

3.6.4.2 Supresores de Sobrevoltajes Transitorios en Bajo Tensin (TVSS) 733.6.4.3 Seleccin del apartarrayos y TVSS 74

3.6.5 Transitorio de recuperacin de voltaje (TRV) 78

3.6.5.1 Resistencia de switcheo 79

3.7 Comparacin de los casos simulados en Curva ITI 82


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ndice General

vi

Pgina

CAPTULO IV.- EL PROBLEMA DE DISTORSIN ARMNICA:CASOS DE ESTUDIO Y TCNICAS DE SOLUCIN 83

4.1 Introduccin 84

4.2 Caractersticas, causas y efectos tpicos de armnicas 85

4.2.1 Componentes de Secuencia 85

4.2.2. Fuentes de armnicas 86

4.2.2.1 Fuentes tradicionales de armnicas 874.2.2.2 Nuevas fuentes de armnicas 884.2.2.3 Futuras fuentes de armnicas 89

4.2.3 Efectos de la distorsin armnica 90

4.2.3.1Interferencia en sistemas de comunicacin 914.2.3.2 Efecto en equipo electrnico sensible 914.2.3.3 Efecto en la iluminacin 914.2.3.4 Efecto en transformadores 924.2.3.5 Efecto en los motores de induccin 934.2.3.6 Efecto en cables y conductores 944.2.3.7 Efecto en interruptores y fusibles 944.2.3.8 Efecto en las barras de neutros 954.2.3.9 Efecto en relevadores de proteccin y medidores 95

4.2.3.10 Efecto en bancos de capacitores 964.2.3.10.1 Resonancia paralelo 964.2.3.10.2 Resonancia serie 96

4.3 Limites tolerables para bancos de capacitores 97

4.4 Mitigacin de distorsin armnica 98

4.4.1 Filtros pasivos 98

4.4.1.1 Filtros sintonizado simple de 1er. Orden 99

4.4.1.1.1 Diseo de filtro armnico sintonizado simple de 1er. Orden 99

4.4.1.2 Filtros pasa altas de segundo orden (amortiguadores) 1004.4.1.3 Seleccin de filtros pasivos 102

4.4.2 Trampas de secuencia cero 1024.4.3 Filtro antirresonante 1024.4.4 Filtros activos 1024.4.5 Transformador con factor-K 103


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ndice General

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4.5 ndices armnicos 104

4.5.1 Distorsin armnica total de Tensin (DATT) 1044.5.2 Componente armnico individual mximo de tensin (CAIMT) 1044.5.3 Distorsin armnica total de demanda (DATD) 1054.5.4 Distorsin armnica total de corriente (DATC) 1054.5.5 Componente armnico individual mximo de corriente (CAIMC) 1054.5.6 Factor de influencia telefnica (TIF) 1064.5.7 Producto VT e IT 1064.5.8 ndice de factor de peso C-message 105

4.6 Lmites de distorsin armnica 106

4.7 Metodologa propuesta para la solucin de problemas de armnicas 109

4.8 Anlisis de casos 110

4.8.1 Problema y solucin de alto DATT y resonancia, por correccin del factor depotencia con banco de capacitores en instalaciones con cargas no lineales 110

4.8.1.1 Descripcin del sistema 1104.8.1.2 Anlisis armnico 1124.8.1.3 Anlisis de resultados 122

4.8.2 Modelado de horno de arco elctrico para anlisis armnico y solucin con

filtros sintonizados 123

4.8.2.1 Modelado del Sistema Elctrico 1234.8.2.2 Casos de Estudio 125

4.8.2.2.1 Caso 1. Transformador del Horno de Arco con conexin en Delta-Estrella; peor caso de tensiones armnicas 126

4.8.2.2.1.1 Anlisis armnico 126

4.8.2.2.2 Caso 2. Transformador del Horno de Arco con conexin en Delta-Estrella; caso tpico de tensiones armnicas

128

4.8.2.2.2.1 Anlisis armnico 128

4.8.2.2.3 Caso 3. Conexin de filtros pasivos del tipo sintonizado simplepara peor caso de tensiones armnicas 130

4.8.2.2.3.1 Clculo del filtro 130

4.8.2.2.4 Caso 4. Conexin de filtros pasivos del tipo sintonizado simplepara caso tpico de tensiones armnicas. 131

4.8.2.2.5 Anlisis de resultados 133


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ndice General

viii

Pgina

4.8.3 Mtodo de cancelacin de armnicas 134

4.8.3.1 Anlisis armnico 135

CAPTULO V.- LAS FLUCTUACIONES DE VOLTAJE Y ELEFECTO DE PARPADEO (FLICKER): CASO DE UNA MAQUINASOLDADORA CON DIVERSAS SOLUCIONES 138

5.1 Introduccin 139

5.2 Las fluctuaciones de tensin en el origen del flicker 140

5.3 Descripcin de las fluctuaciones de tensin en el origen del flicker 141

5.3.1 Las variaciones de tensin peridicas y rpidas 141

5.3.2 Las variaciones bruscas de tensin 141

5.4 Explicacin matemtica del origen del flicker 141

5.5 Otros orgenes del flicker 142

5.5.1 Mal funcionamiento del sistema de iluminacin 142

5.5.2 Flicker provocado por los subarmnicos y los interarmnicos 1425.6 Efectos de fluctuaciones de voltaje 143

5.7 Las Cargas Perturbadoras 143

5.7.1 El horno de arco 1435.7.2 Mquinas con cargas fluctuantes 1435.7.3 Los equipos de soldadura 143

5.8 Inconvenientes del flicker, sensibilidad de las fuentes luminosas 143

5.9 Definicin terica de la molestia, cuantificacin y medida del flicker 1455.9.1 Dosis de flicker, definicin de la molestia, medida del flicker 1455.9.2 La curva de Funcin de Probabilidad Acumulada -FPC- 1475.9.3 Los parmetros Pst y Plt 1485.9.4 Definicin del Pst 1505.9.5 Definicin del Plt 1505.9.6 Niveles de compatibilidad de Pst, Plt 1505.9.7 Determinacin del flicker en una instalacin 151

5.9.7.1 Mtodo cualitativo 1515.9.7.2 Mtodo que utiliza la curva de referencia Pst = 1 152


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ndice General

ix

Pgina

5.9.8 Tcnicas de mitigacin y/o solucin del parpadeo 153

5.9.8.1 Inversor 1535.9.8.2 Modificacin de la carga perturbadora 1535.9.8.3 Inclusin de un volante de inercia 1545.9.8.4 Conversor rotativo 1545.9.8.5 La capacitancia serie 1545.9.8.6 La reactancia en serie 1545.9.8.7 La reactancia shunt saturada 1545.9.8.8 La reactancia de desacoplamiento 1555.9.8.9 El compensador sncrono 1555.9.8.10 El conversor de fase 1565.9.8.11 El compensador esttico de Potencia Reactiva (CEV) 156

5.10 Evaluacin de cambios de voltaje, fluctuaciones de voltaje y flicker 159

5.10.1 Evaluacin del cambio de tensin relativo, d 159

5.10.2 Mtodo de simulacin 159

5.10.3 Mtodo analtico 160

5.10.3.1 Descripcin del mtodo analtico 1605.10.3.2 Factor de forma 1605.10.3.3 Cambio de Tensin en Estado Estacionario, (UC)=dC 1605.10.3.4 Perodo de observacin 163

5.10.3.5 Indicador de variaciones de tensin de corto plazo (Pst) 1635.10.3.6 Indicador de variaciones de tensin de largo plazo (Plt) 163

5.11 Lmites de variaciones de tensin (estandarizacin) 164

5.12 Metodologa analtico-computacional para resolver problemas de efecto deparpadeo (flicker) 165

5.13 Simulacin del problema de parpadeo y solucin en DIgSILENT 166

5.13.1 Anlisis de resultados 177

CAPTULO VI.- CONCLUSIONES, RECOMENDACIONES YTRABAJOS A FUTURO 178

6.1 Conclusiones 179

6.2 Recomendaciones 182

6.3 Trabajos a futuro 183

Referencias Bibliogrficas 184


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ndice de Figuras

x

NDICE DE FIGURAS

PginaCAPTULO II

Figura 2.1 Resultados de la encuesta sobre las causas de problemas de calidad de la energa 13

Figura 2.2 Fuentes de disturbio en las cargas (externas e internas) 20

Figura 2.3 Transitorio por impulso 21

Figura 2.4 Forma de onda de evento de switcheo de capacitores para la correccin del fp 23

Figura 2.5 Depresin de voltaje 24

Figura 2.6 Swells de voltaje por una falla remota en el sistema 26

Figura 2.7 Forma de onda en una falla con la subsecuente interrupcin 27

Figura 2.8 Tendencia de desbalance de voltaje en un alimentador residencial 30

Figura 2.9 Voltaje distorsionado por armnicas 32

Figura 2.10 Forma de onda con componentes armnicas e interarmnicas 33

Figura 2.11 Disturbio peridico de voltaje (notching) 33

Figura 2.12 Ruido elctrico 34

Figura 2.13 Ruido de modo diferencial 34

Figura 2.14 Ruido de modo comn 35

Figura 2.15 Fluctuaciones de Voltaje 36

Figura 2.16 Variaciones flicker en el Pac caracterizadas por el Pst y Plt para un perodo de 24

hrs. 37

Figura 2.17 Definicin de eventos segn el estndar IEEE-1159-1995 38

CAPTULO III

Figura 3.1 Diagrama de flujo de metodologa para resolver problemas de sobrevoltajes

transitorios en bancos de capacitores 43

Figura 3.2 Curva CBEMA [FIPS Pub 94] 44

Figura 3.3 Curva ITI (versin 2000) 46


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ndice de Figuras

xi

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Figura 3.4 Relacin entre caractersticas del disturbio y sus efectos en el equipo 47

Figura 3.5 Diagrama unifilar del sistema de potencia de 34,5 kV usado para mostrar casos de

transitorios originados por bancos de capacitores 48

Figura 3.6 Grfica del voltaje transitorio por energizacin inrush en la barra B2, donde esta

conectado el banco de capacitores C1 51

Figura 3.7 Grfica de la corriente transitoria debido al inrush del banco de capacitores C1 52

Figura 3.8 Grfica de barrido de frecuencia por la energizacin del banco de capacitores C1 52

Figura 3.9 Grfica del voltaje transitorio con la inductancia fija ya conectada 54

Figura 3.10 Grfica de la corriente transitoria en el banco C1 ya con la inductancia fija 54

Figura 3.11 Grfica de barrido de frecuencia con la solucin propuesta al problema de

energizacin al banco nico de capacitores 55

Figura 3.12 Grfica del voltaje transitorio por maniobra de banco de capacitores donde estn

presentes otros problemas de calidad de energa 56

Figura 3.13 Grfica del voltaje transitorio del banco de capacitores C1, previamente

energizado a la maniobra back-to-back del capacitor C2 59

Figura 3.14 Grfica del voltaje transitorio del banco de capacitores C2, al momento del back-to-back 59

Figura 3.15 Grfico de corriente transitoria del banco de capacitores C1, previamente

energizado a la maniobra back-to-back del capacitor C2 60

Figura 3.16 Grfica de corriente transitoria del banco de capacitores C2, en el back-to-back 60

Figura 3.17 Configuracin de los componentes por switcheo de pre-insercin 61

Figura 3.18 Grfica de voltaje transitorio del banco de capacitores C1, previamente energizado

al back-to-back del capacitor C2con impedancia de pre-insercin 63

Figura 3.19 Grfica del voltaje transitorio del banco C2, en el back-to-back con solucinpropuesta 63

Figura 3.20 Grfico de corriente transitoria del banco de capacitores C1, previamenteenergizado al back-to-back del capacitor C2con impedancia de pre-insercin 64

Figura 3.21 Grfica de corriente transitoria del banco C2, en el back-to-back con solucinpropuesta 64

Figura 3.22 Grfica de voltaje en la barra B2 en caso de una falla cercana 65


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ndice de Figuras

xii

Pgina

Figura 3.23 Grfica de corriente outrush del banco C1en caso de una falla cercana 66

Figura 3.24Grfica de corriente outrush del banco C1con solucin propuesta

67

Figura 3.25 Grfica de voltaje transitorio de la barra B5 debido a la magnificacin 69

Figura 3.26 Grfica de voltaje de la barra B2 debido a la magnificacin, por cierre del bancoC1 70

Figura 3.27 Grfica de corriente transitoria del capacitor en baja tensin debido a la

magnificacin de voltaje 71

Figura 3.28 Grfica de corriente transitoria del capacitor en media tensin que se energiza

dando como resultado una magnificacin de voltaje 71

Figura 3.29 Grfica de voltaje transitorio de la barra B5 debido a la magnificacin simuladacon la solucin propuesta 76

Figura 3.30 Grfica de voltaje de la barra B2 debido a la magnificacin, por cierre del bancoC1simulada con la solucin propuesta simulada 76

Figura 3.31 Grfica de corriente transitoria del capacitor en baja tensin debido a lamagnificacin de voltaje con la solucin propuesta simulada 77

Figura 3.32 Grfica de corriente transitoria del capacitor en media tensin con la solucin

propuesta ya incorporada 77

Figura 3.33 TRV que se presenta en terminales del interruptor CB1 79

Figura 3.34 Circuito de interruptores usando resistencia por switcheo 80

Figura 3.35 Eliminacin total del TRV por medio de resistencia de switcheo 81

Figura 3.36 Curva ITI con sobrevoltajes transitorios de casos a), b) y d) superpuestos 82

CAPTULO IV

Figura 4.1 Voltaje distorsionado por armnicas 90

Figura 4.2 Onda de corriente armnica con mltiples cruce por cero 91

Figura 4.3 Densidades de corriente en un mismo conductor: (a) a corriente directa y (b)

corriente de alta frecuencia 94

Figura 4.4 Resonancia paralelo 96

Figura 4.5 Resonancia serie 97


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ndice de Figuras

xiii

Pgina

Figura 4.6 Respuesta tpica de frecuencia de distintos tipos de filtros pasivos 101

Figura 4.7 Metodologa propuesta para la solucin de problemas de armnicas 109

Figura 4.8 Diagrama unifilar del sistema industrial bajo estudio, con correccin de fp 110

Figura 4.9 Grfica de corriente distorsionada en el convertidor de 6 pulsos 114

Figura 4.10 Grfica de voltaje distorsionado en la barra B3 116

Figura 4.11 Grfica de voltaje en la barra B3 con el filtro antirresonante (caso 3) 118

Figura 4.12 Espectro de armnicas de voltaje medidas en la barra B3 de 0,48 kV para los tres

casos de estudio 119

Figura 4.13 Espectro de armnicas de corriente medidas en el secundario del transformador

T2 para los tres casos de estudio 120

Figura 4.14 Grfica de la respuesta en la frecuencia para los tres casos de estudio 121

Figura 4.15 Diagrama unifilar del sistema industrial con horno de arco bajo estudio 123

Figura 4.16 Modelo armnico del horno de arco 125

Figura 4.17 Formas de onda de la tensin y corriente en el punto de acometida y en el

secundario del transformador del horno de arco, peor caso 128

Figura 4.18 Espectro armnico de tensin y corriente en el punto de acometida, peor caso 128

Figura 4.19 Formas de onda de la tensin y corriente en el punto de acometida y en el

secundario del transformador del horno de arco, caso tpico 129

Figura 4.20 Espectro armnico de tensin y corriente en el punto de acometida, caso tpico 129

Figura 4.21 Espectro armnico de tensin en la barra 3 (casos 1 y 2) 130

Figura 4.22 Forma de onda de la corriente en el punto de acometida para caso 3 131

Figura 4.23 Verificacin de sintonizacin para el caso de estudio 3 132

Figura 4.24 Verificacin de sintonizacin para el caso de estudio 4 132

Figura 4.25 Diagrama unifilar de un sistema industrial con eliminacin de armnicas por

cancelacin de esta 134

Figura 4.26 Grfica de corriente distorsionada en la carga no lineal 136

Figura 4.27 Grfica de voltaje en la barra B4 con la carga no lineal conectada 137


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ndice de Figuras

xiv

Pgina

Figura 4.28 Grfica de voltaje en la barra B3, aguas arriba del transformador tres devanados 137

CAPTULO V

Figura 5.1 Imagen de fluctuacin de tensin y parpadeo 139

Figura 5.2 Definiciones relacionadas con las variaciones de tensin 140

Figura 5.3 Las variaciones de tensin, origen del flicker, se deben a variaciones de intensidad

I que recorren la impedancia de la red141

Figura 5.4 Lmite de sensibilidad del ojo a las variaciones de iluminacin causadas por

fluctuaciones de tensin, en lmparas incandescentes 146

Figura 5.5 Representacin esquemtica de un muestreo del flicker instantneo 147

Figura 5.6 Curva de la Funcin de Probabilidad Acumulada (FPC) de la presencia de seal

en una de las clases. El nmero de clases se ha limitado aqu a diez 148

Figura 5.7 Curva lmite de la molestia del flicker. Indica la amplitud de las fluctuaciones de

tensin, en funcin de su frecuencia de repeticin, para una severidad del flicker

Pst = 1 149

Figura 5.8 Modificaciones de la instalacin que permiten reducir el flicker 155

Figura 5.9 Montaje en puente de Steinmetz para la compensacin de una carga bifsica(esquema del principio). 156

Figura 5.10 Esquema de la instalacin de un compensador esttico de VAR 157

Figura 5.11 Esquema simplificado de un compensador esttico de potencia reactiva (VAR) 157

Figura 5.12 Caractersticas de los cambios relativos de tensin 161

Figura 5.13 Factor de forma F de doble escaln para caractersticas de tensin en forma de

rampa 161

Figura 5.14 Factor de forma F para caractersticas de tensin rectangular y triangular. 162

Figura 5.15 Factor de forma F para caractersticas de tensin de arranques de motores con

diversos tiempos de frente. 162

Figura 5.16 Diagrama de flujo para resolver problemas de fluctuaciones voltaje

provocando flicker 165

Figura 5.17 Diagrama unifilar del sistema industrial bajo estudio. 166


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ndice de Figuras

xv

Pgina

Figura 5.18 Cambio de potencia activa en la barra B1 durante 1 minuto con la mquina

soldadora conectada. 166

Figura 5.19 Perfil de potencias ante fluctuaciones de carga. 169

Figura 5.20 Perfil de voltaje y corriente rms de la carga fluctuante. 169

Figura 5.21 Tensin y corriente de la carga fluctuante en funcin del tiempo. 170

Figura 5.22 Perfil de voltaje y corriente rms de la carga fluctuante con correccin de flicker

por medio de capacitor operable con electrnica de potencia. 171

Figura 5.23 Perfil de potencias ante fluctuaciones de carga con correccin de flicker por

medio de capacitor operable con electrnica de potencia. 172

Figura 5.24 Perfil de voltaje y corriente rms de la carga fluctuante con correccin de flicker

por medio del D-STATCOM. 173


medio del D-STATCOM. 173


medio del cambio de taps de los transformadores. 174

Figura 5.27 Tensin y corriente de la carga fluctuante en funcin del tiempo con correccin de

flicker por medio del cambio de taps de los transformadores. 175

Figura 5.28 Tensin y corriente rms de la carga fluctuante, con correccin de flicker pormedio del cambio de taps de los transformadores. 176


22/218

ndice de Tablas

xvi

NDICE DE TABLAS

CAPTULO II

Pgina

Tabla 2.1 Estadsticas de costos de tiempo fuera de servicio de los distintos sectores

(en EE.UU.) 16

Tabla 2.2 Principales fenmenos causados por disturbios electromagnticos 17

Tabla 2.3 Categoras y caractersticas de fenmenos electromagnticos en sistemas de

potencia 18

CAPTULO III

Tabla 3.1 Resumen de los parmetros base del sistema utilizado para el problema de

transitorios en instalaciones con bancos de capacitores 49

Tabla 3.2 Resultados del anlisis transitorio en la rama del banco de capacitores C1

energizado 51

Tabla 3.3 Resultados del anlisis transitorio de los casos sin y con inductancia fija en

la rama del banco de capacitor C1energizado 53

Tabla 3.4 Resultados del anlisis transitorio back-to-back obtenidos en las ramas de

los bancos de capacitores C1 y C2 58

Tabla 3.5 Rango de impedancias de pre-insercin (de alta resistencia) 61

Tabla 3.6 Resultados del anlisis transitorio de los casos sin y con impedancia de pre-

insercin en el caso back-to-back 62

Tabla 3.7 Resultados del anlisis transitorio de corriente outrush 66

Tabla 3.8 Resultados del anlisis transitorio de corriente outrush ya con la solucin

propuesta incorporada 67

Tabla 3.9 Resultados del calculo de las frecuencias de energizacin y resonancia en la

magnificacin de voltaje 69

Tabla 3.10 Rango de caractersticas corriente-voltaje del apartarrayos de ZnO a 34,5 kV 74

Tabla 3.11 Rango de caractersticas corriente-voltaje del TVSS a 0,48 kV 74

Tabla 3.12 Resultados del anlisis transitorio por magnificacin de voltaje en barras de

inters 75

Tabla 3.13 Resultados del anlisis transitorio por magnificacin de voltaje en los

bancos de capacitores involucrados en la magnificacin 75


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ndice de Tablas

xvii

Pgina

Tabla 3.14 TRV que se presenta en terminales del interruptor CB1 y ya con la solucin

incorporada 80

CAPTULO IV

Tabla 4.1 Secuencia de armnicas 86

Tabla 4.2 Principales fuentes de armnicas 89

Tabla 4.3 Categora de transformadores K comercialmente disponibles 103

Tabla 4.4 Lmites mximos de distorsin armnica total en tensin y de CAIMT en el

punto de acometida 107

Tabla 4.5 Distorsin armnica mxima permitida en corriente para baja, media y alta

tensin hasta 69 kV 108

Tabla 4.6 Distorsin armnica mxima permitida en corriente para alta tensin (mayor

de 69 kV y hasta 161 kV) 108

Tabla 4.7 Espectro de corrientes armnicas tipo de un rectificador trifsico de 6 pulsos 111


armnicas por alta DATT, DATD y resonancia, por instalacin de banco de

capacitores y convertidor de 6 pulsos 111

Tabla 4.9 Casos de estudio 112

Tabla 4.10 Parmetros elctricos resultado del anlisis de flujos armnicos para todas

las barras del sistema industrial analizado sin resonancia 112

Tabla 4.11 Parmetros elctricos resultado del anlisis de flujos armnicos para algunos

elementos del sistema industrial analizado sin resonancia 113


las barras del sistema industrial analizado con banco de capacitores 114

Tabla 4.13 Parmetros elctricos resultado del anlisis de flujos armnicos para algunoselementos del sistema industrial analizado, con banco de capacitores 115


las barras del sistema industrial analizado, con filtro de choque o de rechazo 118


elementos del sistema industrial analizado, con filtro de choque o de rechazo 119

Tabla 4.16 Distintos fp para los 3 casos de estudio 120

Tabla 4.17 Resumen de los casos analizados en la acometida de la industria 122


24/218

ndice de Tablas

xviii

Pgina

Tabla 4.18 Valores obtenidos en el banco de capacitores para distintos casos comparado

con la recomendacin IEEE 18-2002 122

Tabla 4.19 Resumen de los parmetros base del sistema utilizado para el modelado de

horno de arco elctrico 124

Tabla 4.20 Distorsiones de voltaje utilizadas para anlisis armnico en hornos de arco

tpicos 125

Tabla 4.21 Componentes armnicos individuales de corriente en la acometida de 13,2

kV, caso 1 126

Tabla 4.22 Componentes armnicos individuales de tensin en la acometida de 13,2

kV, caso 1 126

Tabla 4.23 Componentes armnicos individuales de corriente en la acometida de 13,2

kV, caso 2 128

Tabla 4.24 Componentes armnicos individuales de tensin en la acometida de 13,2

kV, caso 2 128

Tabla 4.25 Caractersticas de los filtros sintonizados simples para los casos 3 y 4 131

Tabla 4.26 Resumen de los casos analizados 133

Tabla 4.27 Resumen de los parmetros base del sistema utilizados para el problema demtodo de cancelacin de armnicas 134

Tabla 4.28 Espectro de corrientes armnicas de la carga no lineal 135


las barras del sistema industrial analizado ya con el mtodo de cancelacin

de armnicas 135


elementos del sistema industrial analizado ya con el mtodo de cancelacin

de armnicas 135

CAPTULO V

Tabla 5.1 Principales caractersticas y comportamiento frente a las variaciones de

tensin de distintas fuentes luminosas 144

Tabla 5.2 Lmites aceptables de Pst y Plt para distintos niveles de tensin. 151

Tabla 5.3 Algunas soluciones aplicables para reducir o suprimir el flicker 158

Tabla 5.4 Limites de variaciones de tensin 164


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ndice de Tablas

xix

Pgina


parpadeo 167

Tabla 5.6 Parmetros elctricos resultado del anlisis de flujos de potencia en el nodo

B1 4,16 kV 168

Tabla 5.7 Parmetros elctricos resultado del anlisis de flujos de potencia en el nodo

B2 0,22 kV 168

Tabla 5.8 Valores de tensin y parpadeo de las cargas ante fluctuaciones de carga,

resultados en el nodo B2 0,22 kV 170

Tabla 5.9 Cuadro comparativo de soluciones al problema de parpadeo, resultados para

el nodo B2 0,22 kV 177


26/218

Glosario

xx

GLOSARIO

Conexin deltaI Cambio de corriente fundamental compleja de entradaIp Parte activa del cambio de corrienteIq Parte reactiva del cambio de corrienteU Cambio de tensin de dos valores sucesivos de fase a neutroUC=dC Cambio de tensin en Estado Estacionarios micro segundo OhmsY Conexin estrella

A Amperesa Amplitud

ANCE Asociacin Nacional de Normalizacin y Certificacin del Sector ElctricoANSI American Nacional Standards InstituteASD Controladores de velocidad variableAT Alta tensinAVC Compensador Adaptivo de VARsB Exponente de tangente del ngulo que forma la curva con la horizontal, en TVSSsBn Barra o bus (n: nmero de esta)BT Baja tensinC Voltaje del varistor para una corriente de 1 A en la seleccin de TVSSsCB Capacitancia del banco (F)CBT Banco de capacitores en baja tensinCBUSH Capacitancia de boquillas

CMT Banco de capacitores en media o mediana tensinCn Banco de capacitores o capacitancia (n: nmero de esta)CBn Circuit breaker (n: nmero de este)C-message ndice de factor de pesoCA Corriente alternaCAIMC Componente armnico individual mximo de corrienteCAIMT Componente armnico individual mximo de tensinCBEMA Asociacin de Fabricantes de Equipo Comercial de ComputadorasCD Corriente directa o continuaCF Capacitancia del filtroCFE Comisin Federal de ElectricidadD Prdida de magnitud de voltaje

d Evaluacin del cambio de tensin relativodmax Mximo cambio relativo de tensind(t) Cambio relativo de tensinDATC Distorsin armnica total de corrienteDATD Distorsin Armnica Total de DemandaDATT Distorsin Armnica Total de TensinDSP Procesador Digital de SealesD-STATCOM Compensador Esttico DistribuidoDVR Restaurador Dinmico de VoltajeEMI Interferencia Electromagntica RadiadaEE.UU. Estados Unidos de Norteamrica


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Glosario

xxi

ESD Fenmeno de descarga electrostticaF Factor de formaFPC Funcin de probabilidad acumulada

f Frecuencia fundamental o del sistema (60 Hz)f1 Frecuencia de energizacin del sistema analizado (Hz)f2 Frecuencia de resonancia del sistema (Hz)fi Frecuencia de oscilacin o de corriente inrush del sistema analizado (Hz)fibtb Frecuencia de corriente back-to-back del sistema analizado (kHz)fn Frecuencia del transitoriofp Factor de potenciafpm Fluctuacin por minutofS Frecuencia del sistema (Hz)G Parmetro de cuantificacin de la molestiah Orden de la armnica o armnica de sintonahmax Nmero de armnica significante superior (hmax= 25)

Hz HertzI Corriente actual que atraviesa del varistor en TVSSsI1 Corriente de carga del banco de capacitores siendo energizado (A)I1B-B Corriente de carga del banco de capacitores ya energizado (caso back-to-back)[A]I2B-B Corriente de carga del banco de capacitores siendo energizado (A)Iipico Corriente pico de sin amortiguamiento (valor real aprox. 90%) (A)ICC Corriente de corto circuitoIh Corriente rms de la armnica hIL Corriente del banco de capacitoresImax Corriente mxima rmsIn Corriente nominalIR Corriente fundamental rms y con condiciones de carga bajo frecuencia nominal

ISC Corriente de cortocircuito rms simtrica (A)i Corriente del apartarrayos & V= al voltaje aplicadoI2R Prdidas por efecto JouleIEC Comisin Electrotcnica InternacionalIEEE Instituto de Ingenieros Elctricos y ElectrnicosIT ndice de distorsin por influencia inductivaITI Curva de la ITIC (versin 2000)ITIC Consejo Industrial de Tecnologa de la Informacink Cualquier nmero entero positivo: (1,2,....)kA kilo ampereskHz kilo hertzkV kilo volts

kVLL Voltaje lnea a lnea (kV)kVA kilo Volts ampereskVACC kVA de corto circuito en el punto de conexin del capacitorkVAR Potencia reactiva trifsicakVARCkVAR Potencia nominal del banco de capacitoreskVAR1B-B Potencia reactiva 3del banco de capacitor ya energizadokVAR2B-B Potencia reactiva 3del banco de capacitor siendo energizadokVAtx Potencia del transformador de BTkVART Suma de kVAR1y kVAR2kW Kilo wattL Inductancia valor fijoL1 Impedancia equivalente del sistema


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Glosario

xxii

L2 Inductancia equivalente del alimentador y transformador secundarioLB Inductancia de la barra entre dos bancos de capacitoresLn Inductancia (n: nmero de esta)

LF Valor del reactor del filtroLf Inductancia fijaLeq Inductancia equivalente total por fase entre los bancos de capacitores [H]LS Inductancia del sistema (H)LyF Luz y FuerzaMCOV Voltaje de Operacin Continuo MximoMT Media o mediana tensinMTBF Tiempo Medio entre FallasMVA Mega VoltampereMVAr Mega Voltamperes reactivosMVACC Potencia de cortocircuito del sistema,MW Mega Watt

mH mili HenriosNEMP Pulso nuclear electromagnticoPEC Prdidas por corrientes de eddyPEC-R Prdidas por corrientes de eddy bajo condiciones nominalesPOSL Prdidas adicionalesPOSL-R Prdidas adicionales bajo condiciones nominalesp Nmero de pulsos del convertidorp Corriente de prueba del apartarrayos a ZnOPac Punto de acoplamiento comnPCs Computadoras personalesPlt Indicador de variaciones de tensin de largo plazoPst Indicador de variaciones de tensin de corto plazo

p.u. pu Por unidadPWM Modulacin por ancho de pulsoQ Factor de calidad del filtroq Exponente caracterstico de V-I del apartarrayos de ZnOQc Potencia del banco de capacitores en MVAr,QCAP Potencia reactiva nominal del capacitor en MVArR ResistenciaR1 Resistencia equivalente del sistemaR2 Resistencia equivalente del alimentador y transformador secundarioRn Resistencia (n: nmero de esta)r Factor empricoRF Resistencia del filtro

rms Valor medio cuadrticoS Elevacin de magnitud de voltajeSn Switch (n: nmero de este)s SegundoSCC Potencia de cortocircuito mxima del sistema (MVA)SEP Sistema Elctrico de PotenciaSLG Falla de una Fase a TierraSTATCOM Compensador Esttico de VARsSCR Diodo Rectificador Controlado por SilicioSVC Compensador esttico de VARsT1 Tiempo de duracin de prdida de magnitud de voltajeT2 Tiempo de duracin de elevacin de magnitud de voltaje


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Glosario

xxiii

TC Transformador de corrienteTCR Reactor Switcheado por TiristoresTDD Demanda de Distorsin Total

tf Tiempo de impresin del parpadeo, en segundosTHD Distorsin Total ArmnicaTIF Factor de Influencia TelefnicaTP Transformador de potencialTp Intervalo total de duracin, en segundosTRV Transitorio de Recuperacin de VoltajeTSC Capacitor Switcheado por TiristoresTVs TelevisoresTVSS Supresores de Sobrevoltajes Transitorios en Bajo TensinUL Underwriters LaboratoryUn Valor de la tensin nominal de fase a neutroUPS Fuente Ininterrumpible de Potencia

V Voltaje VoltsV(0) Voltaje previo a la energizacin de un banco de capacitoresV(0) Magnitud instantnea de voltaje a travs del capacitor C1en el instante de la fallaVT Factor de distorsin por influencia inductivaV0 Voltaje de secuencia ceroV2 Voltaje de secuencia negativaVCAP Voltaje nominal lnea a lnea del capacitor (kV)VLN Voltaje de lnea a neutroVn Valor de la tensin nominal de fase a neutroVref Voltaje de referencia del apartarrayos de ZnOVs Tensin del sistema equivalente de theveninW Watts

X Reactancia o impedanciaXC Reactancia capacitivaXL Reactancia inductivaXcap Reactancia del banco del capacitorXtrans Reactancia del transformadorZtx% Impedancia del transformador de BT [%]ZnO Apartarrayos de xidos metlicos


30/218

Captulo I.- Introduccin


31/218

CAPTULO I Introduccin

2

1.1 INTRODUCCIN

Con la existencia actual de un conjunto diverso de eventos de calidad de energa, la idea dela misma, puede significar algo diferente para los suministradores como para los usuarios. Una

posible definicin terica de baja calidad de la energa podra ser una desviacin predefinida de

voltaje y/o corriente de: a) una onda sinusoidal ideal o, b) una banda de tolerancia rms para una

cantidad dada de tiempo, o c) una relacin de fase especificada. Una definicin ms prctica de la

pobre calidad de la energa podra ser una forma de onda de voltaje y/o corriente cuya distorsin,

magnitud rms, duracin o relacin, es capaz de causar un resultado indeseable.

Los eventos de la calidad de energa deficiente pueden surgir tanto interna comoexternamente a la planta desde la red suministradora de la empresa elctrica, existiendo distintos

tipos: eventos de calidad de la energa en la planta generados por la red, eventos de calidad de la

energa en la planta generados por la misma planta, y eventos de calidad de la energa en la red

generados por la planta.

Los efectos no deseados de disturbios de la calidad de la energa deficiente sobre los

usuarios finales incluyen funcionamiento incorrecto de equipo, salidas de servicio, perdida de

rendimiento, reduccin de vida til (dao incipiente del equipo), condiciones de trabajo difciles y

dao, entre otras. Los usuarios finales colocan una inversin significante en sus plantas y procesos

de operacin. Estas inversiones vienen con un retorno de inversin deseado y una utilidad de

operacin deseada. Estos dos objetivos financieros pueden ser afectados adversamente por una

pobre o baja calidad de la energa. Para reducir el impacto negativo en su inversin, los usuarios

finales pueden disear su planta, equipo, y procesos para mitigar, tolerar y/o solucionar los

problemas de calidad de la energa. La solucin a problemas de baja calidad de energa pueden ser

desde las ms simples, como por ejemplo: realizando ajustes de taps en transformadores re-

localizar la carga problema a un alimentador o circuito dedicado, como hasta la adquisicin de un

equipo acondicionador de energa o custom power para aplicaciones de solucin a nivel

distribucin.

Existen muchas normas, estndares, recomendaciones, especificaciones y pautas que los

usuarios finales y compaas suministradoras pueden utilizar para alcanzar los objetivos de la

calidad de la energa en sus instalaciones, equipos y procesos.


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3

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo General

Desarrollar y aplicar metodologas analticas, tanto general como particulares para lasolucin de problemas de calidad de la energa de: transitorios por maniobra en banco de

capacitores, distorsin, armnica y efecto de parpadeo (flicker), en redes de distribucin;

mediante el uso de simulacin computacional, con apoyo de los programas: DIgSILENT y

ATPDraw.

1.2.2 Objetivos Particulares

Los objetivos particulares son los siguientes:

Identificar las causas y efectos de los problemas relacionados con una pobre o baja calidadde la energa en los sistemas elctricos de potencia, especficamente en instalaciones

industriales.

Obtener y desarrollar una metodologa para resolver problemas de sobrevoltajes transitoriosen bancos de capacitores, causados por energizacin inrush, energizacin por maniobra

back-to-back, por transitorio de corriente outrush por falla cercana, por magnificacin de

voltaje y transitorio de recuperacin de voltaje (TRV), todos estos problemas con solucin

propuesta y comparacin con la curva ITI.

Proponer y desarrollar una metodologa para la solucin de problemas de armnicas,causados por correccin del factor de potencia con banco de capacitores en instalacionescon cargas no lineales, modelado de horno de arco elctrico y cargas no lineales de grandes

capacidades instaladas.

Obtener y desarrollar una metodologa analtica-computacional de anlisis del parpadeo(efecto flicker) en una instalacin industrial con una carga perturbadora de gran capacidad

(mquina elctrica soldadora), en base a la especificacin CFE-L000045.

Aplicar diferentes soluciones al problema de parpadeo o flicker del objetivo anterior,analizando ventajas y limitaciones de cada una de ellas.

Revisar y comparar las principales normativas, especificaciones y recomendaciones decalidad de energa que regulan los niveles de calidad de suministro nacional e

internacional, con los resultados obtenidos de la simulacin de problemas de la calidad de

la energa desarrollados en el presente trabajo y, con las soluciones propuestas, haciendo

que cumplan con sus tolerancias respectivas.


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4

1.3 JUSTIFICACIN DE LA TESIS

En Mxico, actualmente la calidad de la energa elctrica entregada y utilizada ha cadobajo una creciente revisin, debido al aumento de mayor nmero de usuarios de energa elctrica

del tipo residencial, comercial e industrial y, asociado al progresivo crecimiento en instalaciones

con cargas no lineales, equipo sensible y crtico. Las compaas suministradoras, los usuarios

directos e indirectos, todos pueden sufrir los efectos de la calidad de la energa deficiente, esta baja

calidad incluye eventos, tales como: transitorios, armnicas, fluctuaciones de voltaje (flicker), sags,

swells, interrupciones, ruido elctrico, factor de potencia y desbalance de voltaje. Los equipos de

uso final son cada da ms sensibles a la calidad de energa y a su vez ms contaminantes, junto con

la competencia de mercado y el desconocimiento del tema, sufriendo el equipo dao o incorrectos

funcionamientos y polucin a nivel de redes elctricas.

No existe actualmente una metodologa adecuada para resolver problemas de calidad de

energa en redes de distribucin que contemple en forma explcita esto, haciendo necesarioconsiderar los problemas que surgen con la incorporacin de cargas crticas y sensibles a la

instalacin y/o la interrelacin con otros usuarios poseedores de dichas cargas.

De acuerdo a lo anterior y, mediante el uso de simulacin computacional, el presente

trabajo desarrolla una metodologa analtica que resuelve los problemas que se presentan de manera

ms frecuente en redes de distribucin, como lo son: los transitorios por maniobra en banco de

capacitores, distorsin armnica y efecto de parpadeo (flicker).

La simulacin computacional es muy til para la elaboracin de estudios de calidad de la

energa, pues mediante esta herramienta, se pudieron realizar las siguientes acciones:

Entender que disturbios se propagan dentro de la red,

Determinar la distorsin en la forma de onda causada por diversas fuentes perturbadoras,

Cuantificar el impacto de algunos disturbios,

Probar tcnicas de mitigacin y determinar su mejor ubicacin dentro de la red,

Ayudar en el diseo de soluciones de equipo acondicionador de energa.


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5

1.4 PUBLICACIONES DE RESULTADOS DE ESTA TESIS

-J. G. Moreno Olmos, F. Toledo, J. D. Jurez, Optimizacin del diseo de sistemas deaterrizamiento utilizando mtodos computacionales, RVP/AI- 2000-SUB-01, Tomo III, pp.231-

237, IEEE Mxico, Acapulco, Gro., 9 al 14 de Julio del 2000.

-J. G. Moreno Olmos, J. Lpez, Aspectos generales de la calidad en el suministro de la energa

elctrica, 5to. Congreso Nacional de Ing. Electromecnica y de Sistemas, E-17, pp. 219-222,

SEPI-ESIME/IPN, Noviembre 27 al 30 del 2000, Mxico, D.F.

-J. G. Moreno Olmos, R. Alcntara, V. Mendoza, Anlisis y diseo de un rectificador monofsico

con alto factor de potencia, RVP/AI- 2001-EP-09, pp. 366-371, IEEE Mxico, Acapulco, Gro., 8

al 14 de Julio del 2001.

-J. G. Moreno Olmos, G. Enrquez Harper, R. Alcntara, V. Mendoza, Panorama general de lacalidad en el suministro de la energa elctrica, RVP/AI- 2001-AI-04, pp. 19-24, IEEE Mxico,

Acapulco, Gro., 8 al 14 de Julio del 2001.

-J. G. Moreno Olmos, R. Alcntara, V. Mendoza, E. Aguirre, Mtodo basado en microcontrolador

para producir seales trifsicas con modulacin PWM senoidal (SPWM), RVP/AI- 2001-EP-06,

pp. 349-355, IEEE Mxico, Acapulco, Gro., 8 al 14 de Julio del 2001.

-J. G. Moreno Olmos, J. Lpez, Anlisis armnico de la red elctrica de la zona Torren-Gmez

Palacio, Coahuila. Por la incorporacin del banco de capacitores de 30 MVAR, en 115 kV de la

S.E Torren Sur, 6to. Congreso Nacional de Ing. Electromecnica y de Sistemas, ELE9, pp. 44-48,

SEPI-ESIME/IPN, Noviembre 27 al 30 del 2001, Mxico, D.F.

-J. G. Moreno Olmos, S. A. Hernndez, A. Herrera, C. A. Rivera; Anlisis de la Distorsin

Armnica en el Suministro Elctrico del Edificio T de la Universidad Autnoma Metropolitana

Unidad Azcapotzalco, RVP/AI- 2003-AI-23, IEEE Mxico, Acapulco, Gro., 6 al 12 de Julio del

2003.

-J. G. Moreno Olmos, G. Enrquez Harper, Afectacin en la Calidad de la Energa Suministrada

en Sistemas Industriales, debido a la Presencia de Distorsin Armnica. Normativa y Mitigacin.

4to.Congreso Bienal de Cigr-Mxico y Exposicin Industrial, del 22-24 junio del 2005, LAPEM,

Irapuato, Gto., Mxico.


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1.5 APORTACIONES DE LA TESIS

Anlisis conceptual y terico de importantes problemas de calidad de la energa en redes dedistribucin, como son: transitorios oscilatorios por maniobra, armnicas y fluctuaciones de

voltaje (efecto flicker).

Desarrollo de metodologas (general y particulares) de anlisis de problemas de calidad deenerga, mediante el uso de programas computacionales.

La inclusin analtica computacional de soluciones que mitiguen tales problemas decalidad, mediante tcnicas y uso apropiado de equipo de acondicionamiento en redes de

distribucin, as como en la periferia de los mismos.


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7

1.6 ESTADO DEL ARTE

En el pasado, las compaas suministradoras han siempre invertido significativamente en

los sistemas de generacin y transmisin intentando minimizar el nmero de disturbios en el SEP.

El tipo de disturbio puede tener significantes consecuencias en una amplia rea del sistema. En

contraparte, los sistemas de distribucin no han recibido la misma atencin debido al aparente bajo

impacto de un evento de perturbacin. Sin embargo, actualmente debido al rpido cambio que las

instalaciones industriales, comerciales y residenciales han experimentando por su tipo de cargas no

lineales y procesos crticos, el suministrador se ha visto en la necesidad de planear y operar los

sistemas desde una perspectiva del cliente o usuario, recibiendo con esto creciente atencin los

sistemas de distribucin. Al principio la compaa suministradora robusteci alguna parte especifica

de la red, re-evalu su operacin y aplico prcticas extras de proteccin, aun as eventos de calidad

de energa seguan impactando a los clientes resultando en significantes perdidas de produccin,

deterioro de equipo, malos funcionamientos, entre otros. Estos eventos en la red elctrica no soncausados completamente por parte de los suministradores, sino tambin por algunos usuarios con

cargas problema como hornos de arco, molinos de papel y, mquinas soldadoras.

Algunos ingenieros optan por la combinacin de mediciones y simulacin computacional

como medios de anlisis a problemas de armnicas a nivel sector industrial. En este caso la

medicin de armnicas determina la existencia o niveles de armnicas en el ambiente de un sistema,

para caracterizar fuentes especficas de armnicas y, confirmar modelos de simulacin, aunque

tiene la desventaja de acuerdo a condiciones de operacin in-situ llevar a cabo una serie de

mediciones en diferentes perodos de tiempo y en diferentes puntos de medicin. La simulacin

digital se emplea junto con la medicin ya que esta, sola en la mayora de veces es impractica como

solo un medio de evaluacin armnica, tener las ventajes de apoyarse con simulaciones para

realizar anlisis interactivos a la respuesta del sistema para nuevos o existentes fuentes dearmnicas para condiciones de operacin de la red bajo estudio.

Recientemente, la simulacin computacional con programas como ATPDraw, DIgSILENT,

PSCAD/EMTDC, son efectivos medios y mtodos econmicos par simular problemas de calidad

de energa, as como probar soluciones potenciales de correccin o mitigacin, sin tener que

llevarlos a cabo con equipo real. Para esto, es importante la recoleccin de datos acerca del sistema,

el modelado respectivo ptimo de los elementos y tiempo de simulacin adecuado, todo lo anterior

para cada problema de calidad que se trate y con esto, proceder a la simulacin de los problemas

involucrados. Adems, en los ltimos aos con la creacin de diferentes dispositivos de mitigacin

para cada problema de calidad, como dispositivos custom power o equipo de acondicionamiento de

energa para sistemas de distribucin, se ha mejorado la calidad de la energa en el lugar o sitio del

cliente y hasta, en el punto de origen de los disturbios.


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8

1.7 METODOLOGA GENERAL PROPUESTA PARA LA SOLUCIN DEPROBLEMAS DE CALIDAD DE LA ENERGA

Los problemas de calidad de la energa comprenden un amplio rango de fenmenos

diferentes, descritos mas adelante. Cada de estos fenmenos puede tener una variedad de causas

diferentes y diferentes soluciones. A continuacinse muestra los pasos generales que son a menudo

requeridos en una investigacin de calidad de la energa.

Diagrama de flujo de metodologa para la evaluacin de los problemas de calidad de laenerga

(*) Nota: Esta actividad se omiti por no representar uno de los objetivos de sta tesis.

Medicin (*)/Recopilacin de datos:-Causas

-Caractersticas

-Sistema de transmisin

-Sistema de distribucin

-Interfase cliente uso final-Sistema cliente uso final

-Diseo de equipo/especificaciones

Modelado/ Anlisis:-Modelado adecuado

-Realizar simulaciones

Evaluar tcnica y econmicamente

posibles soluciones y recomendar

Definir y reconocer el problemade calidad de energa

Analizar y caracterizar el problema

Identificar alcance de

soluciones

Evaluar Soluciones

Escoger unaSolucin ptima

-Transitorios-Distorsin armnica

-Flicker-Sag/swell

-Ruido elctrico


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1.8 ESTRUCTURA DE LA TESIS

En el capitulo 1 se presenta la introduccin, la finalidad que se busc al desarrollar elpresente trabajo, como lo son el objetivo general y los objetivos particulares; la motivacin que dio

origen a la misma: justificacin de la tesis; la publicacin de los resultados y las aportaciones de la

tesis, el estado del arte, la metodologa general propuesta para la solucin de problemas de calidad

de la energa y por ltimo, la estructura de la tesis.

El captulo 2examina todo lo referente a los disturbios de calidad de la energa, como son

sus orgenes, definiciones e importancia, clasificaciones, costos generados por carecer de la misma,

as como sus principales causas y efectos a detalle de cada una de las perturbaciones comprendidas

en esta clasificacin.

El objetivo del captulo 3es el desarrollo de una metodologa analtica para problemas de

transitorios de maniobra en bancos de capacitores en paralelo, aplicada a casos de estudio con surespectiva solucin con apoyo de simulacin computacional. Lo tpicos de estudio fueron

seleccionados por ser los mas comunes en cuanto a la ocurrencia que se presentan en redes de

distribucin, con caractersticas arriba mencionadas. Las soluciones anteriores se compararon y

graficaron con la curva ITI, con el fin de saber previamente, si se presentarn o no problemas en las

instalaciones con equipo sensible y crtico, por perturbaciones de esta ndole.

En el captulo 4 se desarroll una metodologa particular al problema de distorsin

armnica, dndose una amplia explicacin acerca de las caractersticas, causas y efectos tpicos de

armnicas en sistemas de potencia, as como su mitigacin y limites de especificacin nacional. Se

analizaron tres casos computacionalmente, uno comprende los problemas por alta distorsin

armnica de voltaje y /o corriente por resonancia de la red al mejorar el factor de potencia junto

con la conexin de cargas no lineales de gran capacidad, as como su solucin con filtroantirresonante. Otro de los casos es por un horno de arco elctrico, el cual se modelo para anlisis

armnico con peor caso y caso tpico de operacin de este y, su solucin con la conexin de tres

filtros pasivos sintonizados a las armnicas de mayor inters. El tercer y ltimo caso fue el de una

red industrial, que tiene cargas no lineales de idntica capacidad y que aplicando un mtodo de

cancelacin de armnicas en la forma de conexin del transformador que alimenta a estas, se

elimin totalmente cualquier distorsin armnica aguas arriba del transformador en cuestin. Cabe

sealar que las soluciones para los tres casos se compararon con la especificacin nacional de

inters, cumpliendo con sus respectivos lmites, para cada uno de ellos.

En el captulo 5, se presentan las fluctuaciones de voltaje y el efecto de parpadeo (flicker),

con sus orgenes, explicacin matemtica, tipo de cargas, parmetros de medicin, tcnicas de

mitigacin y evaluacin por mtodo analtico. El caso a simular en este captulo es con elfuncionamiento de una maquina soldadora, con el apoyo de una metodologa analtico-

computacional de anlisis de parpadeo (flicker) y, aplicando diferentes soluciones, incluyendo

alguna con tecnologa custom power.

Finalmente, en el captulo 6se puntualizan las conclusiones a que se llega en este trabajo,

as como las recomendaciones encontradas en el desarrollo de la investigacin, y se sugieren ideas

para trabajos a futuro.


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Captulo II.- Revisin de Fenmenos

de Calidad de la Energa y sus

Efectos


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CAPTULO II Revisin de fenmenos PQ y sus efectos

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2.1 Calidad de la Energa Elctrica

2.1.1 Introduccin

Tanto las compaas de distribucin como los usuarios finales de la energa elctrica estninvolucrados con la calidad de la energa elctrica. Este trmino es aplicado a una amplia variedadde fenmenos electromagnticos en el sistema de potencia. Algunos disturbios son nuevos y otrosno. Hay cuatro grandes razones para ocuparse de la calidad de la energa elctrica [1]:

Las cargas actuales son generalmente ms sensibles a la calidad de la energa elctrica quelas del pasado, debido a que contienen controles basados en microprocesadores y modernaelectrnica de potencia. Este equipo tambin es causante de disturbios para otros cargas y/oconsumidores.

La necesidad de mayor eficiencia global en sistemas de potencia ha obligado a utilizarmasivamente controladores de velocidad variable para motores, computadoras, alumbradode descarga, capacitores en paralelo, etc., estos ltimos para corregir factor de potencia y

reducir prdidas. Con esto se incrementa los niveles de armnicas en las instalaciones yaumenta la preocupacin por el impacto en las condiciones actuales y futuras del SEP.

Incrementar la conciencia de la calidad de la energa en la distribucin a los usuariosfinales. Los usuarios debern tener una mayor atencin acerca de interrupciones de servicio,depresiones y elevaciones de voltaje, transitorios por maniobra, armnicas, flicker, etc.;exigiendo al suministrador mejorar la calidad de la energa entregada

La cada vez ms creciente tendencia a la interconexin de los sistemas elctricos a nivel desistemas de potencia y de las instalaciones industriales, trae como resultado una mayorcantidad de procesos integrados, lo que significa que una falla en cualquier componentetiene consecuencias ms importantes.

La principal de estas razones es incrementar las utilidades de los productores usando equipoms eficiente, beneficiando con esto al SEP al crecer menos la demanda y requerir menosinversiones. Es interesante hacer notar que el equipo instalado para aumentar la productividad es elque sufre ms con los disturbios comunes. Este equipo es algunas veces fuente adicional deproblemas de calidad de la energa [18].

2.1.2 Antecedentes histricos

El hecho de que la calidad de la energa se ha vuelto un problema actual, no significa queno era importante en el pasado. Todas las compaas suministradoras en el mundo tienen pordcadas trabajando en la mejora de lo que ahora es conocido como calidad de la energa. Yactualmente, incluso el trmino ya ha estado en uso durante un tiempo largo. La mencin msantigua del trmino calidad de la energa conocido a un autor fue en un artculo publicado en

1968. El artculo detalla un estudio por la marina naval de EE.UU., detrs de las especificacionesrequeridas de energa por su equipo electrnico. Ese artculo da una apreciacin globalnotablemente buena del campo de la calidad de la energa, incluyendo el uso de equipo demonitoreo y sugiere el uso de un interruptor esttico de transferencia. Varias publicacionesaparecieron poco despus con el uso del trmino calidad de la energa en relacin a los sistemas depotencia de aviones (1969-70). Ya en 1970 la alta calidad de la energa se menciona como uno delos objetivos del diseo de los modernos sistemas de potencia, junto con la seguridad,confiabilidad del servicio y bajo costo de instalacin y operacin. Aproximadamente al mismotiempo el trmino calidad de voltaje fue usado en pases escandinavos y en la Unin Sovitica,

principalmente con referencia a variaciones lentas de la magnitud de voltaje[2].


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2.1.3 Definiciones e importancia

En muchas ocasiones el trmino calidad de la energa es confuso con otras definiciones

que, aunque aplicamos sin distincin no significan lo mismo, como son: [3]

Calidad del servicio: se refiere a la relacin contractual/comercial entre el suministrador yel usuario.

Calidad del suministro: se refiere a la continuidad del servicio.

Calidad de la energa: se refiere a las caractersticas de la onda de tensin del suministro deenerga elctrica y posibles disturbios que se puedan presentar.

Esta ultima definicin es el tema central que ocupa inters en esta tesis, aunque no se estade acuerdo del todo con el trmino calidad de la energa, s se esta con el hecho que se ha vuelto un

aspecto muy importante de la energa entregada, especialmente de la segunda mitad de los 90s ala actualidad. Algunos autores la han definido de la siguiente manera: cualquier problema deenerga elctrica manifestado en variaciones de voltaje, corriente o frecuencia que resulte en falla omalfuncionamiento de equipo elctrico [1].

La definicin del IEEE estndar 1100-2005, conocido tambin como libro esmeralda [4],acerca del trmino es: el concepto de suministro y puesta a tierra de equipo electrnico de unamanera que sea apropiada para el funcionamiento de ese equipo y compatible con la premisa de lainstalacin elctrica y otro equipo conectado.

Tambin se puede definir como la ausencia de interrupciones, sobretensiones,deformaciones producidas por armnicas en la red y variaciones de voltaje rms suministrado al

usuario, esto concierne a la estabilidad de voltaje, la frecuencia y la continuidad del servicioelctrico [5].

Algunos comunes sntomas de problemas de calidad de la energa en instalaciones son:

Inexplicables disparos o paros en equipos. Dao ocasional o falla en componentes de equipos. Control errtico en desempeo de equipo. Bloqueos aleatorios y errores de datos Sobrecalentamiento en componentes del sistema de potencia.

Los problemas de la calidad de la energa pueden ser complicados, involucrandoinstalaciones elctricas del usuario, fenmenos naturales tales como descargas atmosfricasinteractuando con equipo del usuario y conexiones del equipo al sistema elctrico de potencia [18].

Otras importantes definiciones, es la relativa al tipo de carga, aqu tambin hay unaclasificacin con diferentes tipos, como son:

-Carga crtica.-son todos aquellos dispositivos o equipos cuya falla para operarsatisfactoriamente pone en peligro o riesgo la salud o la seguridad de personal, y/o resulta enprdidas de funciones, prdidas financieras o dao a propiedad considerada como crtica por el

usuario [4]. Por ejemplo, un paro no programado en un molino de laminacin es muy costoso,


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mientras que la prdida de un centro de informacin en un banco o el mal funcionamiento de lossistemas de diagnstico en un hospital pueden ser catastrficos.

-Carga sensible.- aquella que requiere de un suministro de alta calidad, esto es, libre dedisturbios. Cabe mencionar por ejemplo que el equipo electrnico es ms susceptible a losdisturbios que el equipo electromecnico tradicional [6].

Hay muchas interpretaciones incorrectas con respecto a las causas de los problemas en lacalidad de la energa. Las grficas de la figura 2.1muestran los resultados de un estudio realizadopor una compaa suministradora [1] en el que se encuestaron a suministradores y usuarios conrespecto a las causas de los problemas en la calidad de la energa elctrica. Como puede verse en lasgrficas siguientes, las perspectivas de la compaa suministradora y de los usuarios de la energason diferentes. Los proveedores de energa piensan que los usuarios causan ms problemas decalidad de la energa elctrica y los usuarios piensan lo contrario.

Figura 2.1 Resultados de la encuesta sobre las causas de problemas de calidad de la energa [1]

Cuando hay problema de energa con algn equipo en particular, el usuario final puede deinmediato quejarse a la compaa suministradora de que una falla o variacin, est causando elproblema. Sin embargo la compaa no detecta ningn fenmeno anormal en el alimentador delusuario. Esto puede suceder porque hay muchos eventos que resultan en problemas para el usuarioy que nunca se muestran en las estadsticas de la compaa [18].

Un ejemplo es el switcheo de capacitores, lo cual es una operacin comn y normal en lossistemas de distribucin, que sin embargo puede causar sobrevoltajes transitorios que pueden alterar

la maquinaria de manufactura. Otro ejemplo es la falla momentnea en otra parte del sistema quecausa una disminucin de voltaje breve (sag) en el usuario en cuestin. Esto puede causar que uncontrol de velocidad variable de motor falle, sin que el suministro tenga alguna indicacin de quealgo anda mal, a menos que se tenga un medidor de calidad de la potencia elctrica [18,20].

Adems de los problemas de calidad reales, hay problemas que se perciben como tales,pero que se relacionan con malfuncionamiento de hardware, software o sistemas de control. Loscomponentes electrnicos pueden degradarse por el continuo efecto de transitorios de voltaje yfallar eventualmente en eventos de poca magnitud. En estos casos es difcil asociar la falla con lacausa especfica.

8%

25%

1%

66% Natural

Suministro 1%Usuario

Vecinos

Otros 0%

Percepcin del Suministrador

12%8%

3%

60%

17%

Natural

Suministro

UsuarioVecinos

Otros 3%

Percepcin del Usuario


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Como respuesta al creciente asunto de la calidad de la potencia el sistema de distribucindebe desarrollar programas que permitan responder al inters del usuario. Los alcances de estosprogramas deben ser reactivos para responder a los problemas del usuario y activos para ayudar a

instruir al usuario y promover servicios que puedan ayudar a desarrollar soluciones a problemas dela calidad de la potencia.

En estos anlisis se debe considerar el factor econmico, algunas veces no es baratoeliminar las variaciones de calidad de la energa sino hacer menos sensible a elementos de cargaespecficos. El nivel adecuado de calidad de la energa es aqul en el que todo el equipamiento deuna rama industrial opere normalmente [18].

La calidad de la energa como tal es difcil de evaluar en otras utilidades y servicios. No esfcil aceptar la definicin de calidad de la energa, hay normas para tensin y otros criterios quemiden diversos parmetros, sin embargo lo esencial de la medicin de la calidad de la energa esdeterminar el funcionamiento normal y la productividad del equipo del usuario final. Si la calidadde la energa es inadecuada para estas necesidades, la calidad est fallando [20].

2.1.4 Calidad de la energa como calidad de voltaje

En muchos casos la calidad de la energa se considera como la calidad de voltaje o tensinque suministra la compaa, porque la tensin es el nico parmetro que puede mantenerse dentrode ciertos lmites. De tal manera que un voltaje de buena calidad tiene amplitud estable, frecuenciaconstante, poca distorsin armnica, no tiene ruido, no presenta muescas y/o transitorios y en elcaso de voltajes trifsicos no hay desbalance. Las corrientes no se pueden controlar por la compaapara diversas cargas. Sin embargo el voltaje debe ser una onda sinusoidal de 60 Hz, las variacionesconsiderables de la frecuencia y la deformacin de la onda son problemas potenciales para lacalidad de la energa, entre otras cosas.

Desde luego que hay ciertas relaciones entre voltaje y corriente en el SEP. En diversosmonitoreos se ha encontrado que existen una variedad de disturbios que afectan a la calidad deenerga elctrica de los usuarios, estos disturbios pueden tener orgenes variados ya que el voltaje yla corriente siempre mantienen una estrecha relacin en un sistema elctrico. A pesar de que losgeneradores se encargan de producir una seal casi perfectamente sinusoidal de la magnituddeseada de voltaje, al momento de pasar a travs de la impedancia del sistema puede sufrir una serie

de perturbaciones, como por ejemplo [1]:

La corriente resultante de corto circuito causa disminucin de voltaje o de plano se hacecero.

Las corrientes originadas por las descargas atmosfricas al pasar a travs del SEP dan lugar

a voltajes de impulso altos que pueden causar flameo del aislamiento y originar otrosfenmenos como corto circuitos.

Las corrientes distorsionadas de cargas productoras de armnicas tambin distorsionan elvoltaje cuando ellas pasan a travs de las impedancias del SEP. Este voltaje distorsionadoes entregado a otros usuarios (cargas).

Por lo tanto a pesar de que el voltaje es lo que interesa a la calidad de la energa elctrica, sedebe partir de que el origen del fenmeno de problemas de calidad est en la corrientedistorsionada.


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2.1.5 Costos de la Calidad de Energa

Como ya se menciono, la falla de un equipo crtico implica dao econmico o poner en

riesgo la seguridad personal. Una falla en una planta mediana en EE.UU. que le lleve 4 horasrestablecer produccin representa un gasto de $10,000 dlares en promedio [6].

El costo de un disturbio de energa se puede determinar mediante la ecuacin (2.1) [7-8]:

Costo total del disturbio de energa (en dlares) = A+B+C+D (2.1)

donde:

A= costo de la mano de obra de trabajadores afectados, en dlares,

B= servicios prdidas de producto (materias primas), en dlares,

C= costos del arranque, en dlares,

D= costos ocultos, en dlares.

El valor de A, B, C y D se calculan, con las ecuaciones (2.2), (2.3), (2.4) y (2.5),respectivamente:

A = E x F (G +H) (2.2)

B = I x J (2.3)

C = K x L (G +H) + M x J (2.4)

D = N x O (2.5)

donde:

E= nmero de empleados afectados,

F= duracin del disturbio de energa/interrupcin, en horas,

G= salario base por hora de los empleados afectados, en dlares,

H= costo de tiempo extra por empleados afectados, en dlares,

I= unidades de servicios o prdidas de producto debido al disturbio de energa,J= costo por unidad de servicio prdidas/reparacin de producto debido al disturbio de energa,

K= tiempo de arranque, en horas,

L= nmero de empleados involucrados en el arranque,

M= unidades de equipo daado debido al arranque,

N= elemento(s) de costos ocultos,

O= costo en dlares por elemento oculto.


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Adems del costo de la interrupcin, debe considerarse el costo del equipo daado y elcosto de oportunidad, tal como el pago de intereses. El costo de los problemas relacionados con lacalidad de la energa solo en EE.UU. se estima en 119 mil millones de dlares (en el ao 2003), y

para el caso de Amrica Latina, de entre 10 y 15 mil millones de dlares anuales por interrupcionesmomentneas y otra clase de disturbios [9-10]. Se ha dado nfasis a que esa disponibilidad iguala laviabilidad. Si las compaas no tienen las soluciones confiables para el funcionamiento continuo desu equipo, ellas pierden dinero. Aqu se muestran unas estadsticas ( tabla 2.1) que cuantifican losverdaderos costos del tiempo fuera de servicio de los sistemas para distintos sectores en dlares(EE.UU.) [11].

Sector Industrial Ingreso/Hora Ingreso/Empleado-HoraEnerga $2,817,846 $569,20Telecomunicaciones $2,066,245 $186,98

Manufacturero $1,610,654 $134,24Instituciones Financieras $1,495,134 $1,079,89Tecnologa de la Informacin $1,344,461 $184,03

Aseguradora $1,202,444 $370,92Venta al Menudeo $1,107,274 $244,37Farmacuticas $1,082,252 $167,53Bancos $996,802 $130,52Procesos de Bebidas/Comidas $804,192 $153,10Productos al Consumidor $785,719 $127,98Qumicos $704,101 $194,53Transportacin $668,586 $107,78

Empresas de Servicios Pblicos $643,250 $380,94Seguridad Social $636,030 $142,58Recursos Naturales/Metales $580,588 $153,11Servicios Profesionales $532,510 $99,59Electrnica $477,366 $74,48Construccin e Ingeniera $389,601 $216,18Medios de Comunicacin $340,432 $119,74Hospitalidad y Viajes $330,654 $38,62Promedio $1,010,536 $205,55

Tabla 2.1 Estadsticas de costos de tiempo fuera de servicio de los distintos sectores (en EE.UU.)


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2.1.6 Fenmenos electromagnticos

La IEC clasifica al fenmeno electromagntico en disturbios agrupados, como se observa

en la tabla 2.2[1]:

Fenmenos de Conduccin en Baja Frecuencia Armnicas, Interarmnicas Sistemas de seal (Carrier en lneas de potencia) Fluctuaciones de voltaje Disminuciones de voltaje e interrupciones Desbalance de voltaje Variaciones en la frecuencia del sistema Voltajes inducidos de baja frecuencia CD en circuitos de CA

Fenmenos de Radiacin en Baja Frecuencia Campos magnticos Campos elctricos

Fenmenos de Conduccin en Alta Frecuencia Induccin continua de ondas de voltajes o corrientes Transitorios unidireccionales Transitorios oscilatorios

Fenmeno de Radiacin en Alta Frecuencia Campos magnticos Campos elctricos Campos electromagnticos

- Ondas continuas- Transitorios

Fenmenos de descarga electrosttica (ESD)Pulso nuclear electromagntico (NEMP)

Tabla 2.2 Principales fenmenos causados por disturbios electromagnticos


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2.1.7 Categoras y Caractersticas de los Problemas de Calidad de Energa

La tabla 2.3[12] provee informacin considerando el contenido de espectro tpico, duracin

y magnitud apropiada para cada categora del fenmeno electromagntico.

CategorasContenido de

Espectro TpicoDuracin Tpica

Magnitud deVoltaje Tpico

TransitoriosImpulso

Nanosegundo 5 ns elevacin 1msOscilatorio

Baja frecuencia < 5 kHz 0,3-50 ms 0-4 puMediana frecuencia 5-500 kHz

20 s0-8 pu

Alta frecuencia 0,5-5 MHz 5 s 0-4 pu

Variaciones de corta duracinInstantnea

Interrupcin 0,5-30 ciclos 1 min 1,1-1,2 pu

Desbalance de voltaje Estado estable 0,5-2 %Distorsin de la forma de onda

Componente de C.D. Estado estable 0- 0,1 %Armnicas 0-100 armnica Estado estable 0-20 %

Interarmnicas 0-6 kHz Estado estable 0-2 %Notching Estado estableRuido Ancho de banda Estado estable 0-1 %

Fluctuaciones de voltaje < 25 Hz Intermitente 0,1-7 %0,2-2 Pst

Variaciones a la frecuencia delsistema

< 10 s

Notas:s: segundo, ns: nanosegundo, s: microsegundo, ms: milisegundo, kHz: kilo hertz, MHz: mega hertz,min: minuto, %: por ciento, pu: por unidad.

Tabla 2.3 Categoras y caractersticas de fenmenos electromagnticos en sistemas de potencia


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2.2 Clasificacin de Disturbios

2.2.1 Introduccin

Los sistemas de potencia operan con una tensin de lnea constante, suministrando energaa una amplia variedad de equipos de carga. Los rangos de niveles de potencia van desde algunoswatts a mega watts, y los voltajes en que la energa se genera, transporta, y distribuye de cientos devolts a los cientos de kilo volts. La transmisin y distribucin primaria de esta potencia estn hechasen alta tensin, desde decenas a cientos de kilo volts para proporcionar transporte eficaz yeconmico de la energa sobre distancias largas. La utilizacin final generalmente est en el rangode 120 V (residencial tpica) a menos de mil volts (servicios, comercial e industrial pequea), yunos miles de volts para cargas ms robustas (industrial media y pesada).

Son cuatro los parmetros en los sistemas de potencia: frecuencia, amplitud, forma de onday simetra, que sirven como marcos de referencia para clasificar al voltaje y los disturbios de

potencia conforme a su impacto en la calidad de la onda normal sinusoidal del voltaje del sistema,de lo que [4]:

Las variaciones en la frecuencia son raras en sistemas conectados al suministrador, pero elgrupo motor-generador usado en sistemas de distribucin puede experimentar variacionesde frecuencia debido a variaciones de carga y mal funcionamiento de equipo.

Las variaciones de amplitud pueden ocurrir en varias formas, su descripcin esinevitablemente asociada con su duracin. Ellas van desde duraciones extremadamentecortas hasta condiciones de estado estable, haciendo la descripcin y definicin difcil,incluso controversial a veces. Sus causas y efectos necesitan examinarse de cerca para

entender los mecanismos y para definir una solucin apropiada.

Las variaciones en la forma de onda ocurre cuando cargas no lineales trazan una corrienteque no es sinusoidal. Uno tambin puede describir una variacin de amplitud como lavariacin de la forma de onda momentnea, pero el significado propuesto del trmino esuna variacin estable en la forma de onda, o durando por lo menos durante varios ciclos.Este tipo de disturbio puede ser descrito como distorsin armnica porque es fcil deanalizar con la superposicin de armnicas a la frecuencia nominal del sistema de potencia.

El desequilibrio, tambin llamado desbalance, sucede cuando son desiguales las cargasmonofsicas conectadas a sistemas trifsicos y causan una prdida de equilibrio. Este tipode perturbacin principalmente involucra a mquinas rotatorias y rectificadores trifsicos, y

como tales, no reciben amplia atencin. El porcentaje por el que el voltaje de una fasedifiere del promedio de las otras fases, es la descripcin usual de este tipo de perturbacin.


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2.2.2 Origen de disturbios

Este trmino puede ser entendido en por lo menos dos contextos o interpretaciones

diferentes. Una es la preocupacin por la fuente de la perturbacin, si esta es externa interna alsistema de potencia en particular. Tpicamente la frontera de un sistema de potencia se define con elwatthormetro, y la referencia se hace al lado del suministrador del medidor (lado fuente delsuministrador), o en el lado usuario del medidor (lado carga usuario). La otrainterpretacin, es lapreocupacin por la naturaleza de la fuente de perturbacin, y se describe entonces en los trminostcnicos, tales como en descargas atmosfricas, maniobras de equipo, fallas en el sistema depotencia y cargas no lineales. Dependiendo de las condiciones locales, una puede ser msimportante que las otras, pero todas necesitan ser distinguidas. El mecanismo involucradogenerando tambin la perturbacin, determina si la ocurrencia es aleatoria o permanente, eimprevisible o fcil de definir. La primera interpretacin es motivada por el objetivo de asignar laresponsabilidad del problema, y posiblemente el compromiso para una solucin. La segundainterpretacin es motivada por los objetivos de entender el problema y desarrollar una tcnica de

solucin segura.

La tendencia general de los usuarios es atribuir la mayora de problemas de su equipo a lacompaa suministradora. Sin embargo se localizan muchas otras fuentes de perturbaciones dentrode las instalaciones y son atribuibles al funcionamiento de otros equipos de usuarios finales.Finalmente, hay fuentes de disturbios no asociados con la energa de entrada al equipo, tales como:descargas electrostticas al equipo cercano o cables, interferencia electromagntica radiada (EMI),diferencias de potencial a tierra y errores de operacin (verfigura 2.2) [4].

Figura 2.2 Fuentes de disturbio en las cargas (externas e internas)


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2.3 Fenmenos de Calidad de Energa

2.3.1 Transitorios

El trmino transitorio ha sido usado mucho tiempo en el anlisis de las variaciones de lossistemas de potencia para denotar un evento que es indeseable pero momentneo en naturaleza. Otradefinicin de uso comn es amplia en alcance y condicin, simplemente dice que un transitorio esesa parte del cambio en una variable que desaparece durante la transicin de la condicin deoperacin de un estado estable a otro. Desafortunadamente, esta definicin puede ser usada paradescribir algo casi inusual que ocurra en el sistema de potencia El trmino transitorio escomnmente usado para referir un cambio abrupto en la forma de onda de voltaje o corriente [1]

En general, los transitorios pueden ser clasificados en dos categoras, por impulso yoscilatorio. Estos trminos reflejan la forma de onda del transitorio de voltaje o corriente. Estas doscategoras son descritas a continuacin.

2.3.1.1 Impulso

Un transitorio por impulso es un cambio repentino de potencia a una frecuencia distinta dela fundamental, en la condicin de estado estable de voltaje, corriente o ambos, adems esunidireccional en su polaridad (positiva o negativa), lafigura 2.3muestra un transitorio de este tipo.

Los transitorios por impulso son caracterizados normalmente por sus elevaciones y tiemposde decaimiento, que tambin puede ser manifestado por su contenido espectral. Por ejemplo: a

1,2/50 s 2000-V de impulso transitorio nominalmente se eleva de 0 a su valor de cresta de 2000 V

en 1,2 s., entonces decae a la mitad de su valor de cresta (pico) en 50 s.

La principal causa de transitorios por impulso son las descargas atmosfricas. Debido a que

involucran altas frecuencias, los transitorios por impulso, a veces, son amortiguados rpidamentepor la componente resistiva del circuito y no son conducidos a largas distancias desde su origen.Pueden excitar la resonancia de los circuitos y producir transitorios oscilatorios [1].

Figura 2.3 Transitorio por impulso

Horizontal 5 milisegundos/division Vertical 100 Volts/division


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2.3.1.2 Oscilatorio

Son transitorios cuyo valor instantneo de voltaje o corriente cambia rpidamente de

polaridad. Se describen por su contenido espectral (predomina la frecuencia), duracin y magnitud.La subclases de contenido espectral son definidas en la tabla 2.3 como de alta, mediana y bajafrecuencia. Los rangos de frecuencia para estas clasificaciones son seleccionados por coincidir contipos comunes de fenmenos transitorios oscilatorios en sistemas de potencia. En general, esta clasede transitorios, casi siempre son ocasionados por descargas atmosfricas, maniobra de equipos talescomo desconexin de lneas, bancos de capacitores (verfigura 2.4), etc.

Los transitorios oscilatorios con una componente de frecuencia primaria ms grande de 500kHz y con una medida de duracin tpica en microsegundos (o varios ciclos a la frecuenciaprincipal), son considerados transitorios oscilatorios de alta frecuencia. Estos transitorios son casisiempre debido a algn tipo de operacin de maniobra. Estos transitorios son a menudo el resultadode una respuesta de un sistema local a un impulso transitorio.

Un transitorio con una componente de frecuencia elemental entre 5 y 500 kHz con unaduracin medida en decenas de microsegundos (o varios ciclos de la frecuencia fundamental) esllamado transitorio de frecuencia media. Esto como resultado de la energizacin de capacitoresescalonada (back to back) y que producen corrientes oscilatorias en decenas de kilo hertz. Estefenmeno ocurre cuando un banco de capacitores es energizado a la proximidad del cierre elctricode un banco de capacitores ya en servicio. El banco energizado ve al banco desenergizado comouna trayectoria de baja impedancia (limitado solamente por la inductancia del bus al que los bancosson conectados, tpicamente de valor bajo). Como resultado del switcheo de cables se puedenproducir transitorios de voltaje oscilatorios en el mismo rango de frecuencia. Los transitorios defrecuencia media tambin pueden ser el resultado de una respuesta del sistema a un impulsotransitorio [1,20].

Un transitorio con una componente de frecuencia de primer orden menor a 5 kilo hertz yuna duracin de 0.3 a 50 ms, es considerado un transitorio de baja frecuencia. Esta categora porfenmeno es frecuentemente encontrada en subtransmisin y en sistemas de distribucin y escausada por muchos tipos de eventos. El ms frecuente es por la energizacin de banco decapacitores, que tpicamente resulta en un transitorio de voltaje oscilatorio con una frecuenciaelemental de entre 300 y 900 Hz. El transitorio tiene un pico de magnitud que puede aproximarse a2,0 p.u., pero es tpicamente de 1,3 a 1,8 p.u. con una duracin de entre 0,5 a 3 ciclos, dependiendodel amortiguamiento del sistema.

Los transitorios oscilatorios con frecuencias de primer orden inferiores a 300 Hz, tambinpueden encontrarse en sistemas de distribucin. Estas son generalmente asociadas con

ferrores

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