Capítulo 1

Introducción:

Ambos (compañías eléctricas y los usuarios finales de la energía eléctrica) son cada vez cada vez más preocupados por la calidad de la energía eléctrica. El término calidad de la energía se ha convertido en una de las palabras de moda más prolíficos en la industria de la energía desde finales de 1980. Se trata de un concepto general para una multitud de los distintos tipos de perturbaciones del sistema de potencia. Las cuestiones que caen bajo este paraguas no son necesariamente nuevas. Lo que es nuevo es que los ingenieros están intentando hacer frente a estos problemas mediante un enfoque de sistema en lugar de manejarlos como problemas individuales.

Hay cuatro razones principales para el aumento de la preocupación:

1. Equipo de carga de nueva generación, con controles basados en microprocesadores y dispositivos electrónicos de potencia, es más sensible a la calidad de la energía variaciones que era equipo utilizado en el pasado.

2. El creciente énfasis en la eficiencia global del sistema eléctrico tiene dado como resultado un crecimiento continuo en la aplicación de dispositivos tales como de alta eficiencia, las unidades de motor de velocidad ajustable y condensadores en derivación para la corrección del factor de potencia para reducir las pérdidas. Esto se traduce en aumentar los niveles de armónicos en sistemas de energía y tiene mucha gente preocupado por el futuro impacto en las capacidades del sistema.

3. Los usuarios finales tienen una mayor conciencia de los problemas de calidad de energía. Clientes de servicios públicos son cada vez mejor informados sobre cuestiones tales como la interrupciones, caídas y transitorios de conmutación y son un reto las empresas de servicios públicos para mejorar la calidad de la energía suministrada.

4. Muchas cosas están interconectadas en una red. Integrado procesos significa que el fallo de cualquier componente tiene mucho más consecuencias importantes.

El hilo común que aunque todas estas razones de la creciente preocupación sobre la calidad de la energía eléctrica es la presión continua para aumentar la productividad de todos los clientes de servicios públicos. Los fabricantes quieren maquinaria más rápida, más productiva y más eficiente. Utilidades fomentar este esfuerzo, ya que ayuda a sus clientes a ser más rentable y también ayuda a aplazar grandes inversiones en subestaciones y generación mediante el uso de equipo de carga más eficiente. Curiosamente, el equipo instalado para aumentar la productividad también es a menudo el equipo que sufre el máximo provecho de las interrupciones de energía comunes. Y el equipo a veces es la fuente de los problemas adicionales de calidad de energía. Cuando se automatizan los

procesos enteros, la operación eficiente de las máquinas y sus controles se vuelve cada vez más dependiente de energía de calidad.

Desde que se publicó la primera edición de este libro, se han producido algunos acontecimientos que han tenido un impacto en la calidad de la energía:

1. En todo el mundo, muchos gobiernos han revisado sus leyes que regulan las empresas eléctricas con la intención de conseguir más fuentes de costos competitivos de la energía eléctrica. La desregulación de los servicios públicos ha complicado el problema de calidad de la energía. En muchas áreas geográficas ya no hay estrechamente coordinada de control de la potencia de generación de carga a través del uso final. Mientras que las agencias reguladoras pueden cambiar las leyes con respecto a los flujos de dinero, las leyes físicas del flujo de potencia no pueden ser alteradas. Con el fin de evitar el deterioro de la calidad de la energía suministrada a clientes, reguladores van a tener que ampliar su forma de pensar más allá de los índices de confiabilidad tradicionales y satisfacer la necesidad de información de la calidad de energía e incentivos para las empresas de transporte y distribución.

2. No ha habido un aumento sustancial de interés en la generación distribuida (DG), que está, generación de energía dispersa por todo el sistema de alimentación. Hay una serie de cuestiones importantes de calidad de energía que debe ser tratado como parte de la evaluación global de interconexión ¬ ción de la Dirección General. Por lo tanto, hemos añadido un capítulo sobre la DG.

3. La globalización de la industria ha aumentado la conciencia de las deficiencias en la calidad de la energía en todo el mundo. Construcción Empresas facto ¬ rios en nuevas áreas de repente se enfrenta a problemas imprevistos con el suministro eléctrico debido a los sistemas más débiles o con un clima diferente. Se han realizado varios esfuerzos para calidad de energía de referencia en una parte del mundo en contra de otras áreas.

4. Índices han sido desarrollados para ayudar referencia los distintos aspectos de la calidad de la energía. Los organismos reguladores se han involucrado en la tasa de decisiones basada en el rendimiento (PBR), que se ocupa de un aspecto particular, la fiabilidad, que se asocia con interrupciones. Algunos clientes han establecido contratos con empresas de servicios públicos para cumplir con una cierta calidad del suministro de energía. Hemos añadido un nuevo capítulo sobre este tema.

1.1 ¿Qué es la calidad de la energía?

No puede ser completamente diferentes definiciones de calidad de energía, dependiendo de su marco de referencia. Por ejemplo, una utilidad puede definir calidad de la energía como estadísticas de fiabilidad y mostrar que demuestran que su sistema es 99,98 por ciento confiable. Los criterios establecidos por los

organismos reguladores son por lo general en este sentido. Un fabricante de equipos de carga puede definir la calidad de energía como las características de la fuente de alimentación que permiten que el equipo funcione correctamente. Estas características pueden ser muy diferentes para diferentes criterios.

Calidad de la energía es en última instancia una cuestión impulsada por el consumidor, y punto de referencia del usuario final tiene prioridad. Por lo tanto, la siguiente definición de un problema de calidad de la energía se utiliza en este libro:

Cualquier problema de la energía que se manifiesta en las desviaciones de tensión, corriente o frecuencia, generando una falla o mal funcionamiento de los equipos cliente.

Hay muchos malentendidos sobre las causas de los problemas de calidad de energía. Los gráficos de la figura. 1.1 muestran los resultados de una encuesta realizada por la Empresa de Energía de Georgia en la que tanto el personal de servicios públicos y clientes fueron encuestados sobre las causas de los problemas de calidad de energía. Si bien las encuestas de otros sectores del mercado podrían indicar diferentes divisiones entre las categorías, estos gráficos muestran claramente un tema común que se presenta en varias ocasiones en este tipo de encuestas: la utilidad y de las perspectivas de los clientes son a menudo muy diferentes. Mientras que ambos tienden a culpar a las dos terceras partes de los hechos sobre los fenómenos naturales (por ejemplo, rayos), los clientes, mucho más frecuentemente que personal de la empresa, piensa que la utilidad tiene la culpa.

Cuando hay un problema de alimentación con una pieza de equipo, los usuarios finales pueden ser rápidos para quejarse de la utilidad de un "apagón" o "fallo" que ha causado el problema. Sin embargo, los registros de servicios públicos pueden indicar hay eventos anormales en la alimentación al cliente. Hemos investigado recientemente un caso en el que el equipo de consumo fue derribado línea 30 veces en 9 meses, pero había sólo cinco operaciones en el interruptor de la subestación eléctrica. Debe tenerse en cuenta que hay muchos eventos que resultan en problemas de usuarios finales que no aparecen en las estadísticas de servicios públicos. Un ejemplo es la conexión de capacitores, que es bastante común y normal en el sistema de servicios públicos, pero puede causar sobretensiones transitorias que interrumpen la fabricación de maquinaria. Otro ejemplo es un fallo momentáneo en el sistema que hace que la tensión a ceder brevemente en la ubicación del cliente en cuestión en otro lugar. Esto podría causar un variador de velocidad o un generador distribuido de viaje fuera, pero la utilidad no tendrá ningún indicio de que algo andaba mal en el alimentador a menos que tenga un monitor de calidad de la potencia instalada.

Además de los problemas de calidad de energía reales, también se perciben los problemas de calidad de energía que en realidad pueden estar relacionados con el hardware, el software o mal funcionamiento del sistema de control. Los componentes electrónicos pueden degradarse con el tiempo debido a los voltajes transitorios repetidos y eventualmente fallar debido a un evento de magnitud relativamente baja. Por lo tanto, a veces es difícil de asociar un fracaso con una causa específica. Cada vez es más común que los diseñadores de software de control para los equipos basados en microprocesadores tienen un conocimiento incompleto de cómo funcionan los sistemas de energía y no se anticipan todos los tipos de eventos de mal funcionamiento. Por lo tanto, un dispositivo puede portarse mal debido a una deficiencia en el software incorporado. Esto es particularmente común con las primeras versiones de los nuevos equipos de carga

controlado por ordenador. Uno de los principales objetivos de este libro es educar a los servicios públicos, usuarios finales y proveedores de equipos tanto para reducir la frecuencia de las averías causadas por deficiencias de software.

En respuesta a esta creciente preocupación por la calidad de la energía, las centrales eléctricas tienen programas que les ayuden a responder a las inquietudes de los clientes. La filosofía de estos programas oscila entre el reactivo, donde la utilidad responde a las quejas de los clientes, a la dinámica, donde la utilidad se involucra en la educación del cliente y la promoción de los servicios que pueden ayudar a encontrar soluciones a los problemas de calidad de energía. Los temas regulatorios que enfrentan los servicios públicos pueden desempeñar un papel importante en cómo se estructuran sus programas. Dado que los problemas de calidad de energía a menudo implican interacciones entre el sistema de suministro y las instalaciones y equipos del cliente, los reguladores deben asegurarse de que las empresas de distribución tienen incentivos para trabajar con los clientes y ayudar a los clientes a resolver estos problemas.

Los aspectos económicos implicados en la resolución de un problema de calidad de potencia también deben ser incluidos en el análisis. No siempre es económico para eliminar las variaciones de calidad de potencia en el lado de la oferta. En muchos casos, la solución óptima a un problema puede implicar la toma de una pieza particular de equipo sensible menos sensible a las variaciones de calidad de la energía. El nivel de calidad de la energía requerida es que el nivel que se traducirá en el correcto funcionamiento de los equipos en una instalación en particular.

Calidad de la energía, al igual que la calidad de otros bienes y servicios, es difícil de cuantificar. No existe una única definición aceptada de calidad de energía. Existen normas para los criterios técnicos de voltaje y otros que se pueden medir, pero la última medida de calidad de la energía vendrá determinado por el rendimiento y la productividad de los equipos de usuario final. Si la energía eléctrica es insuficiente para las necesidades, entonces la "calidad" es insuficiente.

Quizás nada ha sido más simbólica de un desajuste en el sistema de suministro de energía y la tecnología de consumo que el "reloj parpadeante" fenómeno. Diseñadores reloj crearon la pantalla parpadea de un reloj digital para advertir de la posible hora incorrecta después de la pérdida de poder y sin darse cuenta crearon una de los primeros monitores de calidad de energía. Esto ha hecho que el dueño de casa consciente de que existen numerosas perturbaciones menores que ocurre en todo el sistema de suministro de energía que pueden tener efectos nocivos que no sean para ser detectado por un reloj. Muchas aplicaciones tienen ahora un reloj incorporado, por lo que el hogar promedio puede tener una docena de relojes que se debe reiniciar cuando hay una breve interrupción. Tecnología de motor más antiguo impulsado relojes simplemente perder unos segundos durante

los disturbios de menor importancia y luego llegar rápidamente de nuevo en sincronismo.

1.2 calidad de potencia = Calidad de Voltaje

El término común para describir el objeto de este libro es la calidad de energía, sin embargo, es en realidad la calidad de la tensión que se está abordando en la mayoría de los casos. Técnicamente, en términos de ingeniería, el poder es la tasa de suministro de energía y es proporcional al producto de la tensión y la corriente. Sería difícil de definir la calidad de esta cantidad de cualquier forma significativa. El sistema de suministro de energía sólo puede controlar la calidad de la tensión, no tiene control sobre las corrientes que las cargas particulares pueden dibujar. Por lo tanto, las normas en el área de calidad de la energía se dedican al mantenimiento de la tensión de alimentación dentro de ciertos límites.

Sistemas de alimentación de CA están diseñados para funcionar a una tensión sinusoidal de una frecuencia dada [típicamente 50 o 60 hercios (Hz)] y la magnitud. Cualquier desviación significativa en la magnitud de forma de onda, la frecuencia, o la pureza es un problema potencial de calidad de la energía.

Por supuesto, siempre hay una estrecha relación entre la tensión y la corriente en cualquier sistema de energía práctico. Aunque los generadores pueden proporcionar un voltaje de onda sinusoidal perfecta cerca de, la corriente que pasa a través de la impedancia del sistema puede causar una variedad de trastornos de la tensión. Por ejemplo,

1. La corriente resultante de un cortocircuito hace que el voltaje se hunda o desaparecer por completo, como puede ser el caso.

2. Corrientes de caídas de rayos que pasan por el sistema de energía causan tensiones de alto impulso que se encienden con frecuencia sobre el aislamiento y causar otros fenómenos, como los cortocircuitos.

3. Corrientes distorsionadas de las cargas que producen armónicos también distorsionan la tensión a medida que pasan a través de la impedancia del sistema. Por lo tanto una tensión distorsionada se presenta a otros usuarios finales.

Por lo tanto, si bien es la tensión con la que estamos preocupados en última instancia, también debemos abordar los fenómenos en la corriente de comprender la base de muchos de los problemas de calidad de energía.

1.3 ¿Por qué nos preocupa la calidad de potencia?

La razón última de que estamos interesados en la calidad de la energía es un valor económico. Hay impactos económicos en los servicios públicos, de sus clientes y proveedores de equipo de carga.

La calidad de la energía puede tener un impacto económico directo sobre muchos consumidores industriales. Recientemente ha habido un gran énfasis en la revitalización de la industria con una mayor automatización y equipos más modernos. Esto generalmente significa equipos eficientes controlado electrónicamente, la energía que a menudo es mucho más sensible a las desviaciones en la tensión de alimentación que eran sus predecesores electromecánicos. Por lo tanto, al igual que el reloj parpadea en residencias, los clientes industriales son ahora más conscientes de las alteraciones menores en el sistema de alimentación. Hay mucho dinero asociado con estos trastornos. No es raro que una sola operación del interruptor momentáneos utilidad común, para dar lugar a una pérdida de $ 10.000 a una empresa industrial de tamaño medio por el cierre de una línea de producción que requiere 4 horas para reiniciar. En la industria de fabricación de semiconductores, los impactos económicos asociados a la sensibilidad del equipo a caídas de tensión momentáneos como resultado el desarrollo de un nuevo estándar para el recorrido equipo a través de

La compañía eléctrica está preocupada por los problemas de calidad de energía también. Satisfacer las expectativas del cliente y el mantenimiento de la confianza del cliente son fuertes motivadores. Con el movimiento de hoy hacia la desregulación y la competencia entre las empresas, es más importante que nunca. La pérdida de un cliente descontento a un proveedor de energía que compiten puede tener un impacto muy significativo económicamente de una utilidad.

Además de los impactos financieros obvios de ambos servicios públicos y clientes industriales, hay numerosos costos indirectos e intangibles asociados a los problemas de calidad de energía. Los clientes residenciales normalmente no sufren pérdida financiera directa o la imposibilidad de obtener ingresos como resultado de la mayoría de los problemas de calidad de energía, pero pueden ser una fuerza poderosa cuando perciben que la utilidad está proporcionando un servicio pobre. Uso de la computadora principal se ha incrementado considerablemente en los últimos años y más transacciones se hacen a través de Internet. Los usuarios se vuelven más sensibles a las interrupciones cuando son dependientes de esta tecnología. El gran número de quejas requieren para proporcionar servicios de dotación de personal para su manejo. Además, grupos de interés público con frecuencia intervienen con las comisiones de servicios públicos, que requieren los servicios de dedicar recursos financieros a los abogados, consultores, estudios, y similares para hacer frente a la intervención. Mientras todo esto no es el resultado de problemas de calidad de energía, una reputación por ofrecer un servicio de mala calidad no facilitan las cosas.

Proveedores de equipos de carga general, se encuentran en un mercado muy competitivo con la mayoría de los clientes que compran en el precio más bajo. Por lo tanto, existe un desincentivo general, para añadir características para el equipo para soportar las perturbaciones comunes a menos que el cliente especifica lo contrario. Muchos fabricantes también son conscientes de los tipos de

perturbaciones que pueden producirse en los sistemas de potencia. El principal responsable de la corrección de las deficiencias en el equipo de carga recae esencialmente en el usuario final que deben comprar y operar. Las especificaciones deben incluir criterios de rendimiento de energía. Dado que muchos usuarios finales también son conscientes de las dificultades, un servicio útil que las empresas pueden proporcionar es la difusión de información sobre la calidad de la energía y las necesidades de equipo de carga para operar adecuadamente en el mundo real. Por ejemplo, el estándar SEMI anteriormente referenciada F-47 fue desarrollado a través de grupos de trabajo conjuntos que consisten en la industria de semiconductores y los ingenieros de servicios públicos trabajan juntos.

1.4 El procedimiento de evaluación de la calidad de energía

Problemas de calidad de potencia abarcan una amplia gama de fenómenos diferentes, como se describe en el Cap. 2. Cada uno de estos fenómenos puede tener una variedad de diferentes causas y diferentes soluciones que pueden ser utilizados para mejorar la calidad de la energía y el rendimiento del equipo. Sin embargo, es útil para ver los pasos generales que se asocian con la investigación de muchos de estos problemas, especialmente si los pasos pueden implicar una interacción entre el sistema de suministro de red y la instalación de cliente. Figura 1.2 da algunos pasos generales que a menudo se requieren en una investigación de calidad de energía, junto con las consideraciones principales que deben abordarse en cada paso.

El procedimiento general también debe considerar si la evaluación implica un problema de calidad de la energía existente o que pudiera resultar de un nuevo diseño o de los cambios propuestos al sistema. Las medidas tendrán un papel importante para casi cualquier preocupación calidad de la energía. Este es el método primario de caracterizar el problema o el sistema existente que se está evaluando. Al realizar las mediciones, es importante registrar los impactos de las variaciones de calidad de energía, al mismo tiempo para que los problemas se puedan correlacionar con las posibles causas.

Las soluciones deben ser evaluados utilizando una perspectiva de sistema, y tanto la economía y las limitaciones técnicas deben ser considerados. Las posibles soluciones se identifican a todos los niveles del sistema de suministro de utilidad para el equipo de consumo se vean afectados. Las soluciones que no sean técnicamente viables son arrojadas fuera, y el resto de las alternativas se comparan en una base económica. La solución óptima dependerá del tipo de problema, el número de usuarios finales siendo impactada, y las posibles soluciones.

El procedimiento general se introduce aquí para proporcionar un marco para la información técnica más detallada y los procedimientos que se describen en cada capítulo de este libro. La importancia relativa de las simulaciones y mediciones para la evaluación de problemas de calidad de energía se describe por separado para cada tipo de fenómenos de calidad de energía. Las soluciones disponibles y la economía de estas soluciones también se abordan en los capítulos individuales.

Capítulo 2

2.1 Necesidad de un vocabulario consistente

La calidad de la energía término se aplica a una amplia variedad de fenómenos electromagnéticos en el sistema de energía. La aplicación cada vez mayor de equipos electrónicos y generación distribuida ha aumentado el interés por la calidad de la energía en los últimos años, y esto ha sido acompañado por el desarrollo de una terminología especial para describir los fenómenos. Por desgracia, esta terminología no ha sido consistente en los diferentes segmentos de la industria. Esto ha causado una considerable cantidad de confusión tanto para los vendedores y usuarios finales han luchado para entender por qué el equipo eléctrico no está funcionando como se esperaba. Del mismo modo, es confuso que vadear a través de la jerga de vendedor y diferenciar entre una gran variedad de soluciones propuestas.

Muchas palabras ambiguas se han utilizado que tiene múltiples significados o poco clara. Por ejemplo, el oleaje se utiliza para describir una amplia variedad de trastornos que causan fallos de los equipos o fallos en el funcionamiento. Un

supresor de sobretensiones puede suprimir algunos de ellos, pero no tendrá absolutamente ningún efecto en los demás. Términos como glitch y blink que no tienen ningún significado técnico en absoluto se han introducido en el vocabulario. Comerciantes inescrupulosos se aprovechan de la ignorancia del público en general, la venta de aparatos caros con las reclamaciones cerca milagrosas para mejorar la calidad de la energía. Por supuesto, todo esto viene con una garantía de devolución de dinero. Los lectores pueden protegerse a sí mismos mediante la obtención de una mejor comprensión de vocabulario calidad de la energía y de insistir en explicaciones técnicas de cómo funciona un gadget. Nuestra regla básica: Si no le dirán lo que hay en la caja y cómo funciona, no lo compre!

Este capítulo describe una terminología consistente que se puede utilizar para describir las variaciones de calidad de la energía. También explicamos por qué algunos términos de uso común son inadecuados en las discusiones de calidad de energía.

2.2 Las clases generales de problemas de calidad eléctrica

La terminología que aquí se presenta refleja los recientes esfuerzos estadounidenses e internacionales para estandarizar las definiciones de términos de calidad de energía. El Comité de Coordinación de normas IEEE 22 (IEEE SCC22) ha liderado el esfuerzo principal en los Estados Unidos para coordinar las normas de calidad de energía. Tiene las responsabilidades a través de varias sociedades del IEEE, principalmente la industria de aplicaciones de la sociedad y para la Sociedad de Ingeniería de energía. Coordina con los esfuerzos internacionales a través de enlaces con el IEC y el Congreso Internationale des Grand Réseaux Électriques una tensión Haute (CIGRE, en Inglés, Conferencia Internacional de Grandes Redes Eléctricas de alta tensión).

El IEC clasifica los fenómenos electromagnéticos en los grupos que se muestran en la Tabla 2.1.1 nos ocuparemos principalmente de las cuatro primeras clases de este libro.

TABLA 2.1 Principales fenómenos que causan electromagnética

Alteraciones según la clasificación del IEC

Fenómenos de baja frecuencia conducidas

Armónicos, interarmónicos

Sistemas de señalización (línea eléctrica aérea)

Las fluctuaciones de tensión (flicker)

Huecos de tensión e interrupciones

Desequilibrio de tensión (desequilibrio)

Variaciones de frecuencia de energía

Voltajes de baja frecuencia inducidas

DC en redes de corriente alterna

Radiada fenómenos de baja frecuencia

Los campos magnéticos

Los campos eléctricos

Fenómenos de alta frecuencia conducidas

Tensiones inducidas de onda continúa (CW) o corrientes

Transitorios unidireccionales

Transitorios oscilatorios

Radiada fenómenos de alta frecuencia

Los campos magnéticos

Los campos eléctricos

Campos electromagnéticos

Ondas continuas

Transitorios

Fenómenos de descarga electrostática (ESD)

Pulso electromagnético nuclear (NEMP)

Esfuerzos de la industria de energía de Estados Unidos para el desarrollo de las prácticas recomendadas para el seguimiento de la calidad de la energía eléctrica han añadido algunas condiciones a la terminología IEC. Hundimiento se utiliza como sinónimo para el término inmersión IEC. La categoría de las variaciones de corta duración se utiliza para referirse a los huecos de tensión e interrupciones breves. El término oleaje se presenta como una inversa a caer (caída). La variación de larga duración categoría ha sido añadida a lidiar con el Instituto Americano de Estándares Nacionales (ANSI) C84.1 límites. El ruido categoría se ha añadido para hacer frente a fenómenos realizados de banda ancha. La categoría de distorsión de forma de onda se utiliza como una categoría contenedor para los armónicos IEC, interarmónicos y CC en corriente CA fenómenos de redes, así como un fenómeno adicional del estándar IEEE 519-1992, métodos recomendados y requisitos para el control de armónicos en sistemas de energía eléctrica, llamada muescas.

La Tabla 2.2 muestra la clasificación de los fenómenos electromagnéticos utilizados para la comunidad la calidad de energía. Los fenómenos que figuran en la tabla pueden ser descritos por la lista de atributos apropiados. Para los

fenómenos de estado estacionario, las siguientes atribuciones pueden ser utilizadas: