Cuaderno Técnico nº 199 - Schneider Electric

Cuaderno Técnico nº 199

La calidad de la energía eléctrica

P. Ferracci

Cuaderno Técnico Schneider n° 199 / p. 2

La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedades electrotécnicasy electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen una información específica omás amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto o noticias técnicas.

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenómenos que se presentan en las instalaciones,los sistemas y equipos eléctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo de lasredes eléctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.

Puede accederse a estas publicaciones en Internet:http://www.schneiderelectric.es

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La colección de Cuadernos Técnicos forma parte de la «Biblioteca Técnica» de Schneider ElectricEspaña S.A.

Advertencia

Los autores declinan toda responsabilidad derivada de la incorrecta utilización de las informaciones y esquemasreproducidos en la presente obra y no serán responsables de eventuales errores u omisiones, ni de lasconsecuencias de la aplicación de las informaciones o esquemas contenidos en la presente edición.

La reproducción total o parcial de este Cuaderno Técnico está autorizada haciendo la mención obligatoria:«Reproducción del Cuaderno Técnico nº 199 de Schneider Electric».

Cuaderno Técnico no 199

Philippe FERRACCIDiplomado por la Escuela Superior deElectricidad en 1991, defendió una tesis sobreel régimen de neutro compensado, encolaboración con la Dirección de Estudios eInvestigación de EDF. En 1996 se incorpora aSchneider Electric donde dirige estudiosavanzados en el campo de la electrotecnia y delas redes eléctricas.

Trad.: J.M. Giró

Original francés: octubre 2001Versión española: octubre 2004




Una de las propiedades particulares de la electricidad es que algunas de suscaracterísticas dependen, a la vez, tanto del productor/distribuidor de electricidad,como de los fabricantes de equipos y hasta del usuario. Esta abundacia deprotagonistas y la utilización de una terminología y de unas definicionessimplemente aproximadas explican en parte la complejidad del problema.El objetivo de este Cuaderno Técnico es facilitar los intercambios de informaciónentre especialistas y no-especialistas, y entre cliente, constructor, instalador,diseñador y distribuidor. Su clara terminología debe de conseguir evitar lasconfusiones. Describe además los fenómenos principales que degradan laCalidad de la Energía Eléctrica (QEE), sus orígenes, las consecuencias en losequipos y las principales soluciones. Según los objetivos, propone diversasmetodologías de medida de la QEE. Se proponen dos ejemplos prácticos deaplicación de soluciones, demostrando que sólo el respeto a las reglas del arte yla aplicación de una metodología rigurosa (diagnósticos, estudios, soluciones,instalación, mantenimiento preventivo) permiten una calidad de alimentaciónpersonalizada y adaptada a la necesidad del usuario.

1 Introducción 1.1 Contexto p. 51.2 Objetivos de la medida de la calidad de la energía p. 6

2 Degradación de la QEE: orígenes, 2.1 Generalidades p. 8características, definiciones 2.2 Huecos de tensión y cortes p. 8

2.3 Armónicos e interarmónicos p. 102.4 Sobretensiones p. 132.5 Variaciones y fluctuaciones de tensión p. 132.6 Desequilibrios p. 142.7 Resumen p. 14

3 Efectos de las perturbaciones 3.1 Huecos de tensión y cortes p. 15en las cargas y procesos 3.2 Armónicos p. 17

3.3 Sobretensiones p. 183.4 Variaciones y fluctuaciones de tensión p. 193.5 Desequilibrios p. 193.6 Resumen p. 19

4 Nivel de calidad de la energía 4.1 Metodología de evaluación p. 204.2 La CEM y los niveles de planificación p. 22

5 Soluciones para mejorar la QEE 5.1 Huecos de tensión y cortes p. 235.2 Armónicos p. 275.3 Sobretensiones p. 295.4 Fluctuaciones de tensión p. 305.5 Desequilibrios p. 305.6 Resumen p. 31

6 Estudio de casos concretos 6.1 Filtro híbrido p. 326.2 Compensación automática en tiempo real p. 336.3 Protección contra el rayo p. 36

7 Conclusión p. 378 Bibliografía p. 38


1 Introducción

1.1 Contexto

La calidad de la electricidad se ha convertido enun objetivo estratégico para las compañías deelectricidad, para el personal de explotación, demantenimiento o de gestión de lasinstalaciones terciarias o industriales, y para losfabricantes de equipos, especialmente porestos motivos:

la necesidad económica de aumentar lacompetitividad entre las empresas,

la generalización de equipos sensibles a lasperturbaciones de tensión, siendo, tambiénellos a su vez, perturbadores,

la liberalización del mercado de la electricidad.

La necesidad económica de aumentar lacompetitividad entre las empresas

La reducción de costes debidos a la pérdidade continuidad del servicio y a la falta de calidadEl coste de las perturbaciones (cortes, huecosde tensión, armónicos, sobretensionesatmosféricas...) es elevado.Estos costes deben de tener en cuenta, entreotros, la falta de producción, las pérdidas dematerias primas, el reinicio de lasmáquinas-herramientas, la falta de calidad dela producción, los retrasos de las entregas... Elmal funcionamiento o la parada de receptoresprioritarios, como los ordenadores, elalumbrado y sistemas de seguridad, puedenponer en entredicho la seguridad de laspersonas (hospitales, balizamiento de losaeropuertos, locales de pública concurrencia,edificios de gran altura...).Es determinante también la detecciónanticipada de los problemas mediante unmantenimiento preventivo, dirigido y optimizado.Se constata además una transferencia deresponsabilidad del industrial-usuario hacia elconstructor de los equipos para asegurar elmantenimiento de las instalaciones; elconstructor se convierte en proveedor delproducto «electricidad».

La reducción de los costes debidos alsobredimensionamiento de las instalaciones yaumento de las facturas de electricidad

Otras consecuencias más disimuladas peroperversas de la degradación de la QEE son:

la disminución del rendimiento energético dela instalación, lo que hace más costosa la facturaenergética,

la sobrecarga de la instalación, que provocaun envejecimiento prematuro aumentando elriesgo de averías, lo que a su vez obliga a unsobredimensionamiento o redundancia de lasinstalaciones de distribución.Por tanto, los usuarios profesionales de laelectricidad manifiestan la necesidad deoptimizar el funcionamiento de susinstalaciones eléctricas.

La generalización de equipos sensibles a lasperturbaciones de tensión, siendo, tambiénellos a su vez, perturbadores

Debido a sus múltiples ventajas (flexibilidad defuncionamiento, excelente rendimiento, buenasprestaciones...) se constata el desarrollo y lageneralización de uso de autómatas yvariadores de velocidad en la industria, y desistemas informáticos y alumbradosflúo-compactos en el sector servicios y en eldoméstico. Estos equipos tienen laparticularidad de ser a la vez sensibles a lasperturbaciones de la tensión y generadores deperturbaciones.Su abundancia dentro de un mismoemplazamiento exige una alimentación eléctricacada vez mejor en términos de continuidad y decalidad. En efecto, la parada temporal de unelemento de la cadena puede provocar la paradadel conjunto del sistema de producción (fábricasde semiconductores, de cemento, tratamiento delagua, logística de suministros, imprentas,industrias siderúrgicas o petroquímicas) o deservicios (telecomunicaciones, centros decálculo, bancos...).En consecuencia, los trabajos de la CEI sobrecompatibilidad electromagnética (CEM)concluyen en normas y recomendaciones cadavez más exigentes (en cuanto a las limitacionesde los niveles de emisión de perturbaciones...).


La liberalización del mercado de la electricidad

Las reglas de juego del sector eléctrico tienen ovan a tener una profunda evolución: laliberalización del sector, es decir, lacompetencia en la producción de electricidad, laproducción descentralizada, y la posibilidad,para los grandes consumidores, de escoger suproveedor.

Así, en 1985, la comisión europea determinóque la electricidad era un producto (directiva85/374) lo que obliga a definir muy bien suscaracterísticas esenciales.Por otra parte, en el contexto de la liberalizacióndel mercado de la energía, la búsqueda de lacompetitividad entre compañías eléctricas haceque la calidad sea un factor diferencial.Precisamente, la garantía de calidad puede ser,para un industrial, un criterio determinante alelegir su proveedor de energía.

1.2 Objetivos de la medida de la calidad de la energía

Según las aplicaciones, los parámetros a mediry la precisión de la medida no son los mismos.

Aplicación contractual

Dentro de un mercado liberalizado, puedenestablecerse relaciones contractuales entre elproveedor y el usuario final o entre el productor yla empresa de transporte, y hasta entre laempresa de transporte y la de distribución. Unarelación contractual necesita que sus términosse definan de común acuerdo y que seanaceptados por las diferentes partes. Se trata portanto de definir los parámetros de medida de lacalidad y de comparar sus valores con los límitespredefinidos, incluso contractuales.Esta aplicación requiere frecuentemente eltratamiento de un número importante de datos.

Mantenimiento correctivo

A pesar del respeto de las reglas del arte(diseño del esquemageneral, elección de lasprotecciones, del esquema de conexión a tierrao régimen de neutro y aplicación de lassoluciones adaptadas) desde la fase de diseño,pueden presentarse disfunciones durante laexplotación:

las perturbaciones pueden haber sidoolvidadas o subestimadas,

la instalación ha evolucionado (cargas nuevasy/o modificaciones).Debido a estos problemas es frecuente tenerque realizar acciones correctivas. Y también esfrecuente pretender obtener resultados muyrápidamente, lo que puede llevar aconclusiones precipitadas o infundadas.Los sistemas de medida portátiles (durante untiempo limitado) o los aparatos fijos (vigilanciapermanente) facilitan el diagnóstico de lasinstalaciones (detección y archivo de lasperturbaciones y disparo de alarmas).

Optimización del funcionamiento de lasinstalaciones eléctricas

Para conseguir mejoras en la productividad(economías de funcionamiento y/o reducción delos costes de explotación) es necesario tener unbuen funcionamiento de los procesos y unabuena gestión de la energía, dos factores quedependen de la QEE. Disponer de una QEEadaptada a las necesidades es un objetivo delpersonal de explotación, de mantenimiento y degestión de las instalaciones de los sectoresterciario o industriales. Se necesitan para elloprogramas (software) complementarios queaseguren el mando y control de las instalacionesy supervisión constante de las mismas.

Estudios estadísticos

El análisis de estos datos requiere un estudioestadístico basado en numerosos resultadosobtenidos mediante encuestas realizadasgeneralmente por los explotadores de las redesde transporte y de distribución.

Encuestas sobre las prestaciones generalesde una redPermiten, por ejemplo:

Planificar y definir las intervencionespreventivas gracias a una cartografía de losniveles de perturbaciones de una red. Estopermite reducir los costes de explotación,mejorando a la vez el control de lasperturbaciones. Una variación anormal respectoa los valores medios puede detectarse yrelacionarse con la conexión de nuevas cargas.También se pueden estudiar las tendenciasestacionales o las derivas.

Comparar la QEE que proporcionan losdiversos distribuidores en las diferentes zonasgeográficas. En efecto, los clientes potencialespueden querer conocer las características defiabilidad de suministro de la electricidad antesde instalar nuevas fábricas.


Encuestas sobre las prestaciones en unpunto concreto de la redPermiten, por ejemplo:

Determinar el entorno electromagnético alque quedará sometida una futura instalación oun nuevo equipo. Por tanto, pueden llevarse acabo, preventivamente, acciones de mejorade la red de distribución y/o la desensibilizaciónde la del cliente.

Especificar y verificar las prestaciones ocondiciones que recogerá el contrato con elproveedor. Estas informaciones sobre la calidadde la electricidad son particularmenteestratégicas para las compañíassuministradoras que en el contexto de laliberalización del mercado de la energía buscanla mejor competitividad, la satisfacción de lasnecesidades y la fidelización de sus clientes.


2 Degradación de la QEE: orígenes, características, definiciones

2.1 Generalidades

Las perturbaciones electromagnéticassusceptibles de afectar al buen funcionamientode los equipos y de los procesos industriales seclasifican generalmente en varias clases, quecorresponden a las perturbaciones conducidas yradiadas:

de baja frecuencia (< 9 kHz),de alta frecuencia (≥ 9 kHz),de descargas electrostáticas.

La medida de QEE consiste habitualmente endeterminar las perturbacioneselectromagnéticas conducidas de bajafrecuencia (gama ensanchada para incluir lassobretensiones transitorias y la transmisión deseñales en la red):

hueco de tensión y cortes(voltage dips and interruptions),armónicos e interarmónicos(harmonics and interharmonics),sobretensiones temporales(temporary overvoltages),sobretensiones(swell),

sobretensiones transitorias(transient overvoltages),fluctuaciones de tensión(voltage fluctuacions),desequilibrios de tensión(voltage unbalance),variaciones de frecuencia de alimentación(power-frequency variations),componentes cc en las redes ca(d.c. in a.c. networks),tensiones de señalización(signalling voltages).

En general no es necesario medir todo elconjunto de estas perturbaciones.Pueden agruparse en cuatro categorías segúnque afecten a la amplitud, la forma de onda, lafrecuencia y la simetría de la tensión.Frecuentemente, una misma perturbaciónafecta o modifica a la vez a varias de estascaracterísticas. Pueden también clasificarsesegún su carácter aleatorio (rayo, maniobra,cortocircuito...), en permanentes osemipermanentes.

2.2 Huecos de tensión y cortes

Definiciones

Un hueco de tensión es una bajada súbita de latensión en un punto de una red de energíaeléctrica, hasta un valor comprendido (porconvenio) entre el 90% y el 1% (CEI 61000-2-1,CENELEC EN 50160), o entre el 90% y el 10%(IEEE 1159) de una tensión de referencia (Uref),seguida de un restablecimiento de la tensión dered después de un corto lapso de tiempocomprendido entre un semiperíodo de lafundamental de la red (10 ms a 50 Hz) y unminuto (figura 1a).

Generalmente, la tensión de referencia es latensión nominal para las redes BT y la tensióndeclarada para las redes MT y AT. Tambiénpuede utilizarse una tensión de referenciadesplazada, igual a la tensión antes de laperturbación, en las redes MT y AT equipadascon un sistema de ajuste (ajuste en carga) de latensión en función de la carga. Esto permiteestudiar (con la ayuda de medidas simultáneasen cada red) la transferencia del hueco entre losdiferentes niveles de tensión.


El método que se utiliza normalmente paradetectar y caracterizar un hueco de tensión es elcálculo del valor eficaz «rms (1/2)» de la señalen un período de la fundamental de todos lossemiperíodos (envolvente de un semiperíodo)(figura 1b).Los parámetros característicos (figura 1b) de unhueco de tensión son pues:

su profundidad: ∆U (o su amplitud U),su duración ∆T, definida como el lapso de

tiempo durante el cual la tensión es inferior al90%. Se habla de hueco de tensión a x % si elvalor rms (1/2) está por debajo de x % del valorde referencia Uref.Los cortes son un caso particular de hueco detensión de profundidad superior al 90% (IEEE) oal 99% (CEI-CENELEC). Se caracterizan por unúnico parámetro: la duración. Los breves tienenuna duración inferior a 3 minutos (CENELEC) oa 1 minuto (CEI-IEEE). Tienen su origenprincipalmente en los reenganches automáticoslentos destinados a evitar los cortes largos(ajustados entre 1 y 3 minutos); los corteslargos son de una duración superior. Los cortesbreves y los cortes largos son diferentes, tantopor su origen como por las soluciones a aplicarpara prevenirlos o para reducir su número.Las perturbaciones de tensión de duracióninferior a un semiperíodo de la fundamental Tde la red (∆T < T/2) se consideran como sifueran transitorios.Los americanos utilizan diferentes adjetivospara calificar los huecos de tensión (sag) o (dip)y los cortes (interruption) según su duración:

instantáneo (instantaneous)(T/2 < ∆T < 30 T),momentáneo (momentary)(30 T < ∆T < 3 s),temporal (temporary)(3 s < ∆T < 1 min),mantenido (sustained interruption) ysubtensión (undervoltage)(∆T > 1 min).

En función del entorno, las tensiones medidaspueden ser entre conductores activos (entrefases o entre fase y neutro) o entre conductoresactivos y tierra (fase/tierra o neutro/tierra), otambién entre conductores activos y conductorde protección.En el caso de un sistema trifásico, lascaracterísticas ∆U y ∆T son en generaldiferentes en las tres fases. Por este motivo unhueco de tensión debe de detectarse ycaracterizarse separadamente en cada una delas fases.Se considera que un sistema trifásico sufre unhueco de tensión si al menos una de las fasessufre este tipo de perturbación.

-1

1

0,5

0

10

70

90100110

rms (1/2)(%)

V(p.u.)

U(amplitud)

t (ms)

T = 140 ms

U = 30%(profundidad)

-0,5

0

0 50 100 150 200 250 300

t

a)

b)

(duración)

Fig. 01: Parámetros característicos de un hueco detensión; [a] forma de onda, [b] rms (1/2).

Origen

Los huecos de tensión y los cortes brevesestán ocasionados principalmente losfenómenos conducidos con corrientes elevadasque provocan, a través de las impedancias delos elementos de la red, una caída de tensiónde amplitud tanto menor cuanto más alejado dela fuente de perturbación está el punto deobservación.Los huecos de tensión y los cortes breves sedeben a diferentes causas:

defectos en la red de transporte (AT), dedistribución (BT y MT), o en la instalación en símisma.La aparición de los defectos provoca huecos detensión a todos los usuarios. La duración de unhueco depende generalmente de lastemporizaciones de funcionamiento de losórganos de protección. Cuando los dispositivosde protección (interruptores automáticos,fusibles) aíslan o separan un defecto, se


producen cortes (cortos o largos) en la red delos usuarios alimentados por la sección condefecto. Aunque la fuente de alimentación hayadesaparecido, la tensión en la red puedemantenerse debido a la tensión residual quesiguen suministrando los motores asíncronos osíncronos en proceso de ralentización (durante0,3 a 1 s) o a la tensión procedente de ladescarga de los condensadores conectados ala red.Los cortes breves se deben generalmente a laactuación de los automatismos de red, como losreenganches rápidos y/o lentos o la conmutaciónde transformadores o de líneas. Los usuariossufren una sucesión de huecos de tensión y/o decortes breves al producirse defectos con arcosintermitentes, o durante los ciclos dedesenganche y reenganche automáticos (en redaérea o mixta radial) que permiten la eliminaciónde los defectos transitorios, o incluso cuando sereenvía una tensión para localizar un defecto.

la conmutación de cargas de gran potenciarespecto a la potencia de cortocircuito (motoresasíncronos, hornos de arco, máquinas desoldar, calderas...).

Se producen cortes largos cuando losdispositivos de protección aíslan definitivamenteun defecto permanente, o cuando se produce laapertura, voluntaria o intempestiva de un aparatoo mecanismo.Los huecos de tensión o los cortes se propaganhacia los niveles de tensión inferiores a través delos transformadores. El número de fasesafectadas, así como la gravedad de estoshuecos de tensión, dependen del tipo de defectoy del acoplamiento del transformador.El número de huecos de tensión y de cortes esmás elevado en las redes aéreas, sometidas ala intemperie, que en las redes subterráneas.Pero una derivación subterránea con origen enel mismo juego de barras que las aéreas omixtas sufrirá también los huecos de tensióndebidos a los defectos que afectan a las líneasaéreas.

Los transitorios (∆T < T/2) son causados, porejemplo, por la conexión de condensadores o elaislamiento de un defecto por un fusible o porun interruptor automático rápido BT, o inclusopor las muescas de las conmutaciones deconvertidores polifásicos.

2.3 Armónicos e interarmónicos

Resumen

Toda función periódica (de frecuencia f) sepuede descomponer en una suma de senoidesde frecuencia h x f (h: entero); h se llama orden orango del armónico (h > 1). La componente deprimer orden es la componente fundamental.

( ) ( )0 h hh 1

y t Y Y 2 sen 2 h f∞

== + π + ϕ∑

El valor eficaz es:2 2 2 2

ef 0 1 2 hY Y Y Y Y ...= + + + +

Generador�de armónicos

Otras cargas

ETensión de fuente

Z

U = E - Z

�

La tasa de distorsión armónica (THD: TotalHarmonic Distortion) da una medida de ladeformación de la señal:

2h

1h 2

YTHD

Y

∞

=

⎛ ⎞= ⎜ ⎟

⎝ ⎠∑

Los armónicos proceden principalmente decargas no lineales cuya característica esabsorber una corriente que no tiene la mismaforma que la tensión que los alimenta (figura 2).

Fig. 02: Degradación de la tensión de red producida por una carga no lineal.


Esta corriente es rica en componentesarmónicos y su espectro será función de lanaturaleza de la carga. Al circular a través de lasimpedancias de la red, estas corrientesarmónicas crean las tensiones que puedenperturbar el funcionamiento de otros usuariosconectados a la misma fuente. La impedancia dela fuente a las diferentes frecuencias armónicastiene pues un papel fundamental en la gravedadde la distorsión en tensión. Hay que observarque, si la impedancia de la fuente es baja (Pccelevada), la distorsión en tensión es menor.

Las principales fuentes de armónicos

Las principales fuentes de armónicos sonprecisamente las propias cargas y se puedenclasificar según su pertenencia al entornoindustrial o doméstico.

Las cargas industrialesequipos de electrónica de potencia: variadores

de velocidad, rectificadores con diodos otiristores, onduladores, fuentes de alimentaciónconmutadas;

cargas que utilizan el arco eléctrico: hornosde arco, máquinas de soldar, alumbrado(lámparas de descarga, tubos fluorescentes).Son también generadores de armónicos(temporales) los arranques de motores conarrancador electrónico y la conexión detransformadores de potencia.Hay que destacar que se ha generalizado lautilización de equipos basados en laelectrónica de potencia debido a sus múltiplesventajas (flexibilidad de funcionamiento,excelente rendimiento energético, prestacioneselevadas...).

Las cargas domésticas con convertidores ocon fuentes de alimentación conmutada:televisores, hornos de microondas, placas deinducción, ordenadores, impresoras,fotocopiadoras, reguladores de luz, equiposelectrodomésticos, lámparas fluorescentes.

Aunque su potencia unitaria es mucho menorque las cargas industriales, el efecto acumulado,debido a su gran abundancia y a su utilizaciónsimultánea en períodos largos, las convierten enfuentes importantes de distorsión armónica. Hayque destacar que la utilización de este tipo deaparatos crece en número y a veces en potenciaunitaria.

Los niveles de armónicos

Varían generalmente según el modo defuncionamiento del aparato, la hora del día y laestación (climatización).Las fuentes de alimentación generannormalmente armónicos impares (figura 3).Tanto la conexión de transformadores o lascargas polarizadas (rectificadores de mediaonda) como los hornos de arco producentambién (además de armónicos impares)armónicos de rangos pares.Los interarmónicos son componentessenoidales, pero que no son de frecuenciasmúltiplos enteros de la fundamental (están, portanto, entre los armónicos). Se deben a lasvariaciones periódicas o aleatorias de lapotencia absorbida por diferentes receptorescomo los hornos de arco, las máquinas desoldar y los convertidores de frecuencia(variadores de velocidad y cicloconvertidores).Las frecuencias de telemando utilizadas por eldistribuidor son también interarmónicos.El espectro puede ser discreto o continuo, yvariable de forma aleatoria (horno de arco) ointermitente (máquinas de soldar).Para estudiar los efectos a corto, medio o largoplazo, las medidas de los distintos parámetrosdeben hacerse a intervalos de tiempocompatibles con la constante de tiempo térmicade los equipos.


A

t

h1

%

50

0

100

5 7 11 13 17 19 23 25

h

A

t

%

100

191

50

05 7 11 13 17

A

t

%

100

h1

50

03 5 7 9 11 13

A

t

%

100

h1

50

03 5 7 9 11 13

Fig. 3: Características de algunos generadores de armónicos.

Cargas no lineales Forma de onda de corriente Espectro THD

Variador de velocidad

44%

Rectificador/cargador

28%

Carga informática

115%

Alumbrado fluorescente

53%


2.4 Sobretensiones

Toda tensión aplicada a un equipo cuyo valor decresta sobrepasa los límites de un intervalodefinido por una norma o una especificación esuna sobretensión (Cuadernos Técnicos n° 141,151 y 179).Las sobretensiones son de tres tipos:

temporales, a frecuencia industrial,de maniobra,de origen atmosférico (rayo).

Pueden presentarse:en modo diferencial (entre conductores

activos fase/fase o fase/neutro),en modo común (entre conductores activos y

la masa o la tierra).

Sobretensiones temporales

Por definición son de la misma frecuencia quela de la red (50 Hz ó 60 Hz). Tienen diversosorígenes:

Un defecto de aislamientoAl producirse un defecto de aislamiento entreuna fase y tierra en una red con neutroimpedante o aislado, la tensión de las fasessanas respecto a tierra puede alcanzar latensión compuesta. Las sobretensiones en lasinstalaciones BT pueden proceder de lasinstalaciones AT a través de la toma de tierra delcentro de transformación MT/BT.

La ferrorresonanciaSe trata de un raro fenómeno oscilatorio nolineal, frecuentemente peligroso para losequipos, que se produce en un circuito con uncondensador y una inductancia saturable. Confacilidad se le suele considerar la causa dedisfunciones o averías mal aclaradas (CuadernoTécnico n° 190).

Fallo (corte) del neutroLos aparatos alimentados por la fase menoscargada ven aumentar su tensión (a veces hastaa la tensión compuesta).

Los defectos del regulador de tensión de unalternador o del ajuste en carga de untransformador

La sobrecompensación de la energía reactivaLos condensadores shunt producen un aumentode la tensión desde la fuente hasta ellos. Estatensión es especialmente elevada en períodosde poca carga.

Sobretensiones de maniobra

Están provocadas por modificaciones rápidasde la estructura de la red (apertura de aparatosde protección...). Se distinguen:

las sobretensiones de conmutación concarga normal,

las sobretensiones provocadas por elestablecimiento y la interrupción de pequeñascorrientes inductivas,

las sobretensiones provocadas por lamaniobra de circuitos capacitativos (líneas ocables en vacío, baterías de condensadores).Por ejemplo, la maniobra de una batería decondensadores provoca una sobretensióntransitoria cuya primera cresta puede alcanzar2 2 veces el valor eficaz de la tensión de lared, y una sobreintensidad transitoria del valorde cresta que puede alcanzar 100 veces lacorriente asignada del condensador (CuadernoTécnico n° 189).

Sobretensiones atmosféricas

El rayo es un fenómeno natural que aparece encaso de tormenta. Se distinguen las descargasdirectas de rayo (en una línea o en unaestructura) y los efectos indirectos de unadescarga de rayo (sobretensiones inducidas yaumento del potencial de tierra) (CuadernosTécnicos n°151 y 179).

2.5 Variaciones y fluctuaciones de tensión

Las variaciones de tensión son variaciones delvalor eficaz o del valor de cresta de una amplitudinferior al 10% de la tensión nominal.Las fluctuaciones de tensión son una sucesiónde variaciones de tensión o de variacionescíclicas o aleatorias de la envolvente de unatensión cuyas características son la frecuenciade la variación y su amplitud.

Las variaciones lentas de tensión estáncausadas por la variación lenta de las cargasconectadas a la red.

Las fluctuaciones de tensión son debidasprincipalmente a las variaciones rápidas de lascargas industriales, como las máquinas desoldar, los hornos de arco, las laminadoras.


2.6 Desequilibrios

Un sistema trifásico está desequilibrado cuandolas tres tensiones no son iguales en amplitud y/ono están defasadas unas respecto a otras 120°.El grado de desequilibrio se define utilizando elmétodo de las componentes de Fortescue,calculando la razón de la componente inversa(U1i) (u homopolar (U1o)) de la fundamentalrespecto a la componente directa (U1d) de lafundamental.

i oi o

d d

U1 U1U y U

U1 U1∆ = ∆ =

También puede utilizarse la fórmula aproximadasiguiente:

i medi i

med

V VU má x ,V−

=∆

siendo:Vi = tensión de la fase iy

1 2 3med.

V V VV3

+ += .

La tensión inversa (u homopolar) está provocadapor las caídas de tensión que, a lo largo de lasimpedancias de la red, se producen debido a lascorrientes inversas (u homopolares) producidaspor las cargas desequilibradas que conducen aunas corrientes no idénticas en las tres fases(cargas BT conectadas entre fase y neutro,cargas monofásicas o bifásicas MT, comomáquinas de soldar y hornos de inducción).Los defectos monofásicos o bifásicos provocanlos desequilibrios hasta que actúan lasprotecciones.

2.7 Resumen

�

�Formas de ondacaracterísticas��

� �Origen de la perturbación �

Red �

Defecto de aislamiento,� fallo de neutro� Maniobras y� ferroresonancia� Rayo �

Equipos receptores �

Motor asíncrono � Motor síncrono � Máquina de soldar � Horno de arco � Convertidor � Cargas informáticas � Alumbrado� Ondulador o inversor� Batería de condensadores� �

�

�

Fenómeno ocasional Fenómeno frecuente

Perturbaciones Hueco detensión

Sobre-tensiones Armónicos Desequilibrios Fluctuaciones

de tensión


3 Efectos de las perturbaciones en las cargas y procesos

Generalizando, cualquiera que sea laperturbación, los efectos pueden clasificarse dedos maneras diferentes:

Efectos inmediatos: maniobras intempestivasde contactores o de órganos de protección, malfuncionamiento o parada de una máquina. Elimpacto financiero de la perturbación esentonces directamente cuantificable.

Efectos diferidos: pérdidas energéticas,envejecimiento acelerado de los equiposdebido a los calentamientos y a los esfuerzoselectrodinámicos suplementarios producidospor las perturbaciones.El impacto financiero (por ejemplo, sobre laproductividad) es más difícilmente cuantificable.


Los huecos de tensión y los cortes alteran elfuncionamiento de numerosos aparatosconectados a la red. Son la causa másfrecuente de los problemas de calidad de laenergía. Un hueco o un corte de tensión dealgunas centenas de milisegundo puede tenerconsecuencias nefastas durante varias horas.Los sistemas más sensibles son:

las cadenas o líneas completas de fabricacióncontinua cuyo proceso no tolera ninguna paradatemporal de ninguno de sus elementos(imprenta, siderurgia, papelera, petroquímica...),

los alumbrados y sistemas de seguridad(hospitales, balizamiento de los aeropuertos,locales de pública concurrencia, edificios degran altura...),

los equipos informáticos (centros de procesode datos, bancos, telecomunicaciones...),

los elementos auxiliares esenciales decentrales de producción de energía.Los párrafos siguientes citan las consecuenciasprincipales de los huecos de tensión y cortes enlos principales equipos utilizados en los sectoresindustrial, terciario y doméstico.

Motor asíncrono

Durante un hueco de tensión, el par de un motorasíncrono (proporcional al cuadrado de latensión) disminuye bruscamente y provoca unaralentización. Esta disminución de la velocidadde rotación es función de la amplitud y de laduración del hueco, de la inercia de las masasgiratorias y de la característica par-velocidad dela carga arrastrada. Si el par que el motordesarrolla pasa a ser inferior al par resistente,el motor se va parando según su inercia.

Pasado el corte, el retorno de la tensión produceuna solicitación de corriente de reaceleraciónpróxima a la intensidad de corriente dearranque, cuya duración depende de la duracióndel corte.Cuando la instalación tiene muchos motores,sus reaceleraciones simultáneas puedenprovocar una caída de tensión en lasimpedancias de la red aguas arriba, lo quealarga la duración del hueco y puede hacer quela reaceleración resulte difícil (rearranqueslargos con sobrecalentamiento) y hastaimposible (par motor inferior al par resistente).La realimentación rápida (~ 150 ms), sin ningúntipo de precaución, de un motor asíncrono queestá perdiendo velocidad puede llevar a unaconexión en oposición de fase entre la tensiónde la fuente y la tensión residual mantenida porlos motores asíncronos. En este caso laprimera cresta de corriente puede alcanzarhasta tres veces la corriente de arranque (15 a20 In) (Cuaderno Técnico n° 161).Estas sobreintensidades y las caídas detensión que ellas producen tienenconsecuencias para el motor (calentamientosadicionales y esfuerzos electrodinámicos en losarrollamientos, lo que puede deteriorar elaislamiento, y también variaciones bruscas depar, con sobreesfuerzos anormales en losacoplamientos y en los reductores, lo queprovoca su envejecimiento prematuro y hasta surotura) y también en los otros equipos, como loscontactores (desgaste e incluso soldadura delos contactos). Las sobreintensidades puedenprovocar el disparo de las proteccionesgenerales de la instalación, lo que provoca laparada de todo el proceso.


Motor síncrono

Los efectos son aproximadamente iguales queen el caso de los motores asíncronos.Sin embargo, los motores síncronos puedensoportar huecos de tensión más importantes (delorden del 50%) sin perder apenas velocidad,debido a su inercia, generalmente mayor, a lasposibilidades de sobreexcitación y a laproporcionalidad de su par con la tensión. Encaso de pérdida de sincronismo, el motor separa, y hay que volver a realizar todo el procesode arranque, que es bastante complejo.

Accionadores

Los órganos de mando (contactores,interruptores automáticos con bobina de tensiónmínima) alimentados directamente por la red sonsensibles a los huecos de tensión cuyaprofundidad sobrepase el 25% de Un. En efecto,para un contactor clásico, existe un valor detensión mínima a respetar (tensión llamada dedesprendimiento o caída) a partir de cual lospolos se separan, convirtiéndose entonces unhueco de tensión (de algunas decenas demilisegundos) o un corte breve, en un corte largo(de varias horas).

Equipos de tipo informático

Los equipos informáticos (ordenadores,aparatos de medida) ocupan hoy un lugardestacado en la vigilancia y el control-mando delas instalaciones, la gestión y la producción.Todos estos equipos son sensibles a loshuecos de tensión de una profundidad superioral 10% de Un. La curva ITI (InformationTechnology Industry Council) -antigua CBEMA-indica, en la gráfica tiempo-amplitud, la toleranciatípica de los equipos informáticos a los huecosde tensión, cortes y sobretensiones (figura 4).El funcionamiento fuera de estos límites lleva apérdidas de datos, órdenes erróneas, paradas oaverías en los equipos. Las consecuencias de lapérdida de funciones de los equipos dependenespecialmente de las condiciones de reiniciocuando se restablece la tensión. Por ejemplo,ciertos equipos tienen su propio dispositivo dedetección del hueco de tensión que permitesalvaguardar los datos y garantizar la seguridadinterrumpiendo el proceso de cálculo y lasórdenes erróneas.

Máquinas a velocidad variable

Los problemas que suponen los huecos detensión en los sistemas con variadores develocidad son:

imposibilidad de suministrar la tensiónsuficiente al motor (pérdida de par, ralentización),

imposibilidad de funcionamiento de loscircuitos de control alimentados directamentepor la red,

sobreintensidad al producirse el retorno de latensión (recarga del condensador de filtro de losvariadores),

sobreintensidad y desequilibrio de corrienteen caso de hueco de tensión en una sola fase,

pérdida de control de los variadores decorriente continua cuando funcionan comoinversores (frenado por recuperación de energía).Generalmente, los variadores de velocidad sedesconectan por defecto para un hueco detensión superior al 15%.

Alumbrado

Los huecos de tensión provocan unenvejecimiento prematuro de las lámparas deincandescencia y de los tubos fluorescentes.Los huecos de tensión de profundidad superioro igual al 50% y con una duración del orden de50 ms producen la extinción de las lámparas dedescarga. En este caso se necesita apagar lalámpara durante algunos minutos, para permitirsu enfriamiento, antes de reiniciar el encendido.

500U (%)

200

140120

T (s)

100 11090

7080

00 10-3 3.10-3 100,020,01T 0,5

Fig. 4: Tolerancia típica definida por la curva ITI.


3.2 Armónicos

Sus consecuencias dependen del aumento, entensión o en intensidad, de sus valores decresta (ruptura dieléctrica) y de sus valoreseficaces (calentamiento suplementario) ydependen también de su espectro en frecuencia(vibración y fatiga mecánica).Sus efectos tienen siempre un impactoeconómico por el coste adicional debido a:

un deterioro del rendimiento energético de lainstalación (pérdidas de energía),

un sobredimensionamiento de los equipos,una pérdida de productividad (envejecimiento

acelerado de los equipos, disparosintempestivos).Son probables las disfunciones más allá deuna tasa de distorsión armónica de tensióndel 8%; y entre el 5 y el 8%, ya empiezan a serposibles.

Efectos inmediatos o a corto plazoDisparos intempestivos de las protecciones:

los armónicos tienen una influencia molestaprincipalmente en los dispositivos de control porsus efectos térmicos. En efecto, cuando losaparatos de control, y hasta los de protección,calculan el valor eficaz de la corriente a partir delvalor de cresta, hay riesgo de error y de disparointempestivo, incluso en funcionamiento normal,sin sobrecarga real.

Perturbaciones inducidas en los sistemas decorriente débil (telecomunicaciones, telemando,cadena hifi, pantalla de ordenador, televisor).

Vibraciones y ruidos acústicos anormales(cuadros BT, motores, transformadores).

Destrucción por sobrecarga térmica decondensadores.Si la frecuencia de resonancia del conjuntocondensador-red aguas arriba es próxima aalgún orden de armónico, hay resonancia yamplificación del armónico correspondiente.

Pérdida de precisión de los aparatos demedida.Un contador de energía, de inducción, declase 2, da un error adicional del 0,3% con unatasa del 5% del armónico 5 en corriente y entensión.

Efectos a largo plazoUna sobrecarga en corriente provocacalentamientos suplementarios y, por tanto, unenvejecimiento prematuro de los equipos:

calentamiento de las fuentes de energía:transformadores, alternadores (por aumento delas pérdidas Joule, de las pérdidas en el hierro),

fatiga mecánica (par pulsante en lasmáquinas asíncronas),

calentamiento de los receptores: losconductores de fases y del neutro, por aumentode las pérdidas de Joule y dieléctricas.Los condensadores son particularmentesensibles a los armónicos, porque suimpedancia disminuye proporcionalmente conel orden del armónico.

destrucción de equipos (condensadores,interruptores automáticos...).Una sobrecarga y un calentamientosuplementario del conductor de neutro puedenser consecuencia de la presencia de corrientesde armónicos de tercer orden y sus múltiplos enlos conductores de fases que se suman en elneutro.En el régimen de neutro TN-C, el conductor deneutro es el mismo que el conductor deprotección. Ahora bien, este CPN interconectatodas las masas de la instalación incluidas lasestructuras metálicas del edificio. Por tanto, lascorrientes armónicas de 3er orden y susmúltiplos van a circular en estos circuitos yprovocar variaciones de potencial cuyasconsecuencias son:

corrosión de piezas metálicas,sobreintensidad en las conexiones de

telecomunicación que conectan las masas dedos receptores (por ejemplo, impresora yordenador),

radiación electromagnética que afecta a laspantallas (ordenadores, aparatos de laboratorio).El cuadro de la figura 5 resume los principalesefectos de los armónicos, así como los niveleshabituales admisibles.Los interarmónicos perturban los receptores detelemando y provocan un fenómeno deparpadeo (flicker) (Cuaderno Técnico n° 176).


3.3 Sobretensiones

Sus consecuencias son muy diversas según eltiempo de duración, la repetitividad, la amplitud,el modo (común o diferencial), lo escarpado delfrente de subida, la frecuencia:

perforación del dieléctrico, que destruye elmaterial sensible (componentes electrónicos),

degradación de material por envejecimiento(sobretensiones no destructivas pero repetidas),

corte largo provocado por la destrucción dematerial (pérdida de facturación para losdistribuidores de energía, pérdidas deproducción para los industriales),

perturbaciones de los circuitos decontrol-mando y de comunicación de corrientedébil (Cuaderno Técnico n° 187),

sobreesfuerzos electrodinámicos y térmicos(incendio) causados por:

el rayo (normalmente).Las redes aéreas son las más afectadas por elrayo, pero las instalaciones alimentadas por lasredes subterráneas pueden sufrir sobresfuerzosde tensión en caso de descarga de rayo cercadel emplazamiento.

Las sobretensiones de maniobra que sonrepetitivas y cuya probabilidad de aparición esclaramente superior a la del rayo y además, demás larga duración. Pueden llegar a producirdefectos tan importantes como los del rayo.

Materiales Efectos Límites

Condensadores Calentamiento, envejecimiento prematuro (perforación), I < 1,3 Inde potencia resonancia. (THD < 83%),

ó U < 1,1 Unpara 12 h/d en MTu 8 h/d en BT

Motores Pérdidas y calentamientos suplementarios. FVH ≤ 2% paraReducción de las posibilidades de utilización a plena carga. los motoresPar pulsante (vibraciones, fatiga mecánica). asíncronos habitualesMolestias sonoras.

Transformadores Pérdidas (en el hierro y en el cobre) y calentamientossuplementarios.Vibraciones mecánicas. Molestias sonoras.

Interruptores Disparos intempestivos (sobrepasar los valores de la Uh/U1 ≤ 6 a 12%automáticos tensión de cresta...).Cables Pérdidas dieléctricas y óhmicas suplementarias THD ≤ 10%

(particularmente en el neutro en caso de Uh/U1 ≤ 7%presencia del tercer armónico).

Ordenadores Transtornos funcionales. Uh/U1 ≤ 5%Electrónica de Transtornos debidos a la forma de ondapotencia (conmutación, sincronización).

Fig. 5: Efectos de los armónicos y límites habituales.

132h

h 2FVH U / h

== ∑ (Factor de variación armónica, según CEI 892)


3.5 Desequilibrios

El principal efecto es el sobrecalentamiento delas máquinas asíncronas trifásicas.En efecto, la reactancia inversa de una máquinaasíncrona es equivalente a su reactancia durantela fase de arranque. La tasa de desequilibrio encorriente será por tanto varias veces la de latensión de alimentación. Entonces, las corrientesde fase pueden diferir considerablemente, lo que

aumenta el calentamiento de la o de las fasesrecorridas por la corriente más elevada y reducela esperanza de vida de la máquina.En la práctica, es aceptable una tasa dedesequilibrio de tensión del 1% durante unlargo período de tiempo, y hasta el 1,5% durantealgunos minutos.

3.4 Variaciones y fluctuaciones de tensión

Como las fluctuaciones tienen una amplitud queno excede de ± 10%, la mayor parte de losaparatos no resultan afectados. El principalefecto de las fluctuaciones de tensión es lafluctuación de la luminosidad de las lámparas(parpadeo o flicker) (Cuaderno Técnico nº 176).La molestia fisiológica (cansancio visual ynervioso) depende de la amplitud de las

fluctuaciones, de la cadencia de repetición delas variaciones, de la composición espectral yde la duración de la perturbación. Existe sinembargo un umbral de perceptibilidad (amplituden función de la frecuencia de variación)definido por la CEI por debajo del cual el flickero parpadeo no es visible.

3.6 Resumen

Equipos � � Motor asíncrono � Motor síncrono � Actuador � Variador de velocidad � Carga informática, � mando digital � Horno a inducción � Alumbrado � Batería condensadores� Transformador� Ondulador� Interruptor automático� Cable

�

Hueco de tensión Sobretensiones Armónicos Desequilibrios Fluctuaciones�< 0,5 s > 0,5 s de tensión

Sensibilidad a las perturbaciones


4 Nivel de calidad de la energía

4.1 Metodología de evaluación

Aplicación contractual

El contrato debe indicar:la duración del contrato,los parámetros a medir,los valores contractuales,el(los) punto(s) de medida,las tensiones medidas: estas tensiones

(entre fases y/o entre fases y neutro) deben serlas que alimentan los equipos,

para cada uno de los parámetros medidos,debe de indicarse el método de medida, elintervalo de tiempo, el período de la medida (porejemplo 10 minutos y 1 año para la amplitud dela tensión) y de los valores de referencia; porejemplo, para los huecos de tensión y loscortes, hay que definir la tensión de referencia,los márgenes de detección y el límite entrecortes largos y cortes breves,

la precisión de la medida,el método de determinación de las

penalizaciones en caso de no respetarse loscompromisos,

las cláusulas en caso de desacuerdo en lainterpretación de las medidas (intervención deuna tercera parte...),

acceso a los datos y su confidencialidad.

Mantenimiento correctivo

La búsqueda de soluciones para aplicarmedidas correctivas se inicia normalmentedespués de producirse incidentes o disfuncionesen la explotación.En general, los pasos a seguir son:

Recogida de datosSu objeto es recoger informaciones como el tipode cargas, la antigüedad de los componentesde la red y el esquema unifilar.

Búsqueda de síntomasSu objeto es identificar y localizar los equiposperturbados, determinar la hora y la fecha (fija oaproximada) del problema, la posible relación conlas condiciones meteorológicas concretas (vientofuerte, lluvia, tormenta) o con una modificaciónreciente de la instalación (instalación demáquinas nuevas, modificación de la red).

Conocimiento y comprobación de lainstalaciónEn esta fase basta a veces determinarrápidamente el origen de la disfunción. Lascondiciones de medio ambiente tales como lahumedad, el polvo, la temperatura no deben desubestimarse. Debe de verificarse toda lainstalación, y en particular, el cableado, losinterruptores automáticos y los fusibles.

Colocar aparatos de medida en la instalaciónEsta etapa consiste en dotar el emplazamientocon aparatos de medida que permitan detectar yregistrar el fenómeno origen del problema.Puede ser necesario colocar instrumentos envarios puntos de la instalación y en partircular, sise puede, lo más cerca posible, del (o de los)equipo(s) perturbado(s).El aparato detecta en qué circunstacias sesobrepasan los umbrales de los parámetros demedida de la calidad de la energía y registra losdatos característicos del suceso (por ejemplo,fecha, hora, profundidad de un hueco de tensión,THD). También pueden guardar los datos de lasformas de ondas justo antes, durante y despuésde la perturbación. La sensibilidad de losequipos debe de estar en consonancia con losumbrales a medir.Cuando se utilizan aparatos portátiles, laduración de las medidas debe ser representativadel ciclo de funcionamiento de una fábrica (porejemplo, una semana). Evidentemente, hay queesperar que la perturbación se reproduzca.Los aparatos fijos permiten una vigilanciapermanente de la instalación. Si estos aparatosestán correctamente conectados y ajustados,puesto que registran cada perturbación,aseguran una función de prevención y detección.Las informaciones pueden visualizarse olocalmente o a distancia, mediante una intranet ola red internet. Esto permite diagnosticar losfenómenos, y también anticiparse a losproblemas (mantenimiento preventivo). Este esel caso de los aparatos de la gama Power LogicSystem (Circuito Monitor - Power Meter), Digipacty la generación última de interruptoresautomáticos Masterpact, equipados con undisparador Micrologic P (figura 6).


Los registros de perturbaciones que procedende la red del distribuidor y que hayan causadolos daños (destrucción de equipos, pérdida deproducción) pueden ser también útiles en casode negociación de indemnizaciones.

Identificación del origenEl trazado (forma de onda, perfil de valor eficaz)de la perturbación permite en general a losexpertos localizar e identificar la fuente delproblema (un defecto, un rearranque de motor,una conexión de una batería decondensadores...). En concreto, el conocimientosimultáneo del trazado o gráfica de la tensión yde la corriente permite determinar si el origendel problema se ubica aguas arriba o aguasabajo del punto de medida. En efecto, laperturbación puede proceder de la instalación ode la red del distribuidor.

Estudio y elección de solucionesSe establecen la lista y los costes de lassoluciones. La elección de la solución se efectúafrecuentemente comparando su coste con lo quese deja de ganar en caso de perturbación.Después de aplicar una solución, es importanteverificar, midiendo, su eficacia.

Optimización del funcionamiento de lasinstalaciones eléctricas

Esta preocupación por optimizar elfuncionamiento de una instalación eléctrica seconcreta en tres acciones complementarias:

Economizar la energía y reducir las facturasde energía

Sensibilizar de los costes a los usuarios.

Asignar internamente los costes (por unidad,por servicio o por línea de producto).

Localizar los posibles ahorros.Administrar los picos de consumo

(desconexiones o desenganches, fuentesautónomas).

Optimizar el contrato de energía (reducciónde la potencia contratada).

Mejorar el factor de potencia (reducción de lapotencia reactiva).

Asegurar la calidad de la energíaVisualizar y vigilar los parámetros de medida

de la calidad de la energía.Detectar por anticipado los problemas

(vigilancia de los armónicos y de la corriente deneutro) para un mantenimiento preventivo.

Velar por la continuidad del servicioOptimizar el mantenimiento y la explotación.Conocer la red en tiempo real.Vigilar el plan de protección.Diagnosticar los defectos.Después de un defecto, reconfigurar la red.Asegurar una conmutación automática de

fuentes.Existen programas informáticos que aseguranel control-mando y la vigilancia de la instalación.Permiten, por ejemplo, detectar y guardararchivados los acontecimientos, vigilar, entiempo real, los interruptores automáticos y losrelés de protección, gobernar a distancia losinterruptores automáticos y, de manera general,explotar las posibilidades de los aparatoscomunicantes (figura 6).

Fig. 6: Algunos productos con posibilidad de comunicación (Merlin Gerin).

Sepam

DigipactPower Meter

Circuit MonitorDispositivo demedida yde mando

Interruptor�Automático�Masterpact

Interruptor�Automático�Compact NS

Digipact DC150Concentradorde datos


La compatibilidad electromagnética (CEM)

La compatibilidad electromagnética es la aptitudde un aparato o de un sistema para funcionaren su medio ambiente electromagnético demanera satisfactoria y sin producir él mismo lasperturbaciones electromagnéticas intolerablespara todo elemento que se encuentra en sumedio ambiente (VEI 60050 [161]).El objetivo de la compatibilidad electromagnéticaes asegurar que:

La emisión por separado de cada fuente deperturbaciones es tal que la emisión conjuntade todas las fuentes no excede los niveles deperturbación esperados en el medio ambiente.

El nivel de inmunidad de los equipos permiteque trabajen satisfactoriamente con el nivel deperturbaciones previsto, según las tres clasesde medio ambiente (figura 7).Hay que destacar que el medio ambiente estádeterminado también por las característicasespecíficas de la instalación del usuario(esquema eléctrico de la instalación, tipos decargas) y por las características de la tensión dealimentación.Un medio de asegurar los niveles decompatibilidad es especificar los límites deemisión de las instalaciones de los usuarios conun margen suficiente por debajo del nivel decompatibilidad. En la práctica, esto es factible eninstalaciones de gran potencia (CEI 61000-3-6,CEI 61000-3-7). Para las otras instalaciones (porejemplo BT) las normas «de producto»especifican los límites de emisión por familias deequipos (por ejemplo, la norma CEI 61000-3-2 fijalos límites de emisión armónica en corriente paralas cargas de menos de 16 A).En ciertos casos, es necesario aplicardeterminados medios técnicos para mantenerlos niveles de emisión por debajo de los nivelesprescritos.

4.2 La CEM y los niveles de planificación

Características de la tensión

El método permite evaluar las característicasreales de la tensión en un punto dado de la redy comparar con los límites preestablecidos,basándose en un cálculo estadístico en unperíodo dado de medidas. Por ejemplo, para latensión armónica, no deben de sobrepasarselos límites específicados con un período demedida de una semana y el 95% de los valoreseficaces, calculados en períodos sucesivos de10 minutos.

Niveles de planificación

Estos son objetivos internos de calidadespecificados por el explotador de la red y quese utilizan para valorar la incidencia en la red detodas las cargas perturbadoras. Normalmente,son iguales o inferiores a los niveles decompatibilidad.

Resumen

La figura 8 resume las relaciones entre losdiferentes niveles de perturbación.

Perturbaciones Clase 1 Clase 2 Clase 3

Variaciones de tensión ∆U/UN ± 8% ± 10% + 10% -15%

Huecos de tensión(1)

∆U/UN 10% a 100% 10% a 100% 10% a 100%∆T (número de semiperíodo) 1 1 a 300 1 a 300

Cortes breves (s) ninguno – ≤ 60

Desequilibrio de tensión Ui/Ud 2% 2% 3%

Variaciones de frecuencia ∆f/fN ± 1% ± 1% ± 2%

(1) Estos valores no son niveles de compatibilidad: son datos a título orientativo.

Fig. 7: Los niveles de compatibilidad según la norma CEI 61000-2-4.

Susceptibilidad de los materiales��

Nivel de inmunidad�(valor de prueba específica)

Nivel de compatibilidad�(valor convencional)

Nivel de planificación

Nivel de emisión��

Características�de la tensión

Nivel de perturbación

Distribución estadística

�

Fig. 8: Relaciones entre los diferentes niveles deperturbación.


5 Soluciones para mejorar la QEE

Una pérdida de calidad puede modificar elcomportamiento o los resultados y hastaprovocar la destrucción de los equipos y de losprocesos que de ellos dependen, con posiblesconsecuencias para la seguridad de laspersonas y con costes económicos adicionales.Se tienen tres elementos implicados:

uno o varios productores de perturbaciones,uno o varios receptores sensibles a estas

perturbaciones,y entre ambos, un camino de propagación de

estas perturbaciones.Las soluciones consisten en actuar sobre todoso parte de estos tres elementos, globlamente(sobre la instalación) o localmente (sobre uno ovarios receptores).Estas soluciones pueden aplicarse para:

corregir una disfunción en una instalación,actuar preventivamente ante la conexión de

cargas perturbadoras,obtener la conformidad de la instalación

respecto a las normas o recomendaciones deldistribuidor de energía,

reducir la factura energética (reducción de lapotencia contratada y del consumo).Puesto que los receptores no son sensiblestodos a las mismas perturbaciones y sus nivelesde sensibilidad son diferentes, la soluciónadoptada, además de ser la mejor desde unpunto de vista técnico-económico, debegarantizar un nivel de QEE, medible y adaptado alas necesidades reales.Es imprescindible un diagnóstico previo,efectuado por especialistas, para determinar lanaturaleza de las perturbaciones contra las quehay que prevenirse (por ejemplo, las solucionesson diferentes según la duración de un corte).

La calidad de este diagnóstico determinará laeficacia de la solución aplicada. También debende ser especialistas los que efectúen el estudioy elijan la solución y los responsables de lainstalación y el mantenimiento.La utilidad de la solución y de su aplicacióndependen:

Del nivel de prestaciones deseadoUna disfunción puede ser inadmisible si poneen juego la seguridad de las personas(hospitales, balizamiento de los aeropuertos,alumbrados y sistemas de seguridad de localesde pública concurrencia, sistemas auxiliares decentrales...).

De las consecuencias financieras de ladisfunciónToda parada no programada, incluso muy corta,de ciertos procesos (siderurgia, petroquímica,fabricación de semiconductores), lleva a unapérdida o a una no calidad de la producción, eincluso a volver a poner en condicionesadecuadas los medios de producción.

Del tiempo requerido para el retorno de lainversiónEs la razón entre las pérdidas financieras(materias primas, pérdidas de producción...)provocadas por la no-calidad de la energíaeléctrica y por el coste (estudio, puesta enmarcha, funcionamiento, mantenimiento) de lasolución.También hay que tener en cuenta otros criterios,como las costumbres, la reglamentación y loslímites de perturbaciones impuestas por eldistribuidor.


La arquitectura de la red, los automatismos derealimentación, el nivel de fiabilidad de losequipos, la existencia de un sistema de control ymando y hasta la política de mantenimientojuegan un papel importante en la reducción y laeliminación del tiempo de corte.

Para escoger una solución eficaz, ante todo, esnecesario realizar un buen diagnóstico. Porejemplo, en el punto de acometida (entradaeléctrica del cliente), es importante saber si elhueco de tensión procede de la instalación delcliente (con aumento correspondiente de laintensidad) o de la red (sin aumento).


Existen diversas soluciones.

Reducción del número de huecos de tensión yde cortes

Los distribuidores pueden adoptar ciertasdisposiciones como mejorar la fiabilidad de lasinfraestructuras (mantenimiento preventivoprogramado, renovación de las instalaciones,soterramiento de las mismas), reestructurar lasredes (acortamiento de la longitud de lasacometidas). Pueden también, en los sistemascon neutro impedante, sustituir los interruptoresde desenganche-reenganche automático porinterruptores automáticos shunt que tienen lagran ventaja de no provocar cortes en la salidaaveriada en caso defecto transitorio a tierra(reducción del número de cortes breves).Estos interruptores automáticos provocan laextinción de los defectos fugitivos a tierraanulando durante al menos 300 ms la tensiónen bornes del defecto, por la puesta a tierra dela única fase en defecto en el juego de barrasdel centro de transformación. Esto no afecta a latensión entre fases que alimenta a los clientes.

Reducción de la duración y de la profundidadde los huecos de tensión

En la redAumento de las posibilidades de bucle

(nuevos centros de transformación, interruptoresde bucle).

Mejora de las prestaciones de lasprotecciones eléctricas (selectividad,automatismo de reconexión de la alimentación,telemando de los órganos de la red,televigilancia, sustitución de explosores porlimitadores de sobretensiones).

Aumento de la potencia de cortocircuito dela red.

En los equiposDisminución de la potencia absorbida por lascargas de gran potencia durante la conexión delos compensadores automáticos en tiempo realy de los arranques progresivos que limitan lospicos de corriente (y también las solicitacionesmecánicas).

Insensibilización de las instalacionesindustriales y terciarias

El principio general de insensibilización contra elhueco de tensión y los cortes es compensar lafalta de energía por un dispositivo de reserva deenergía intercalado entre la red y la instalación.Esta reserva debe tener una autonomía superiora la duración del defecto de tensión del queprotege.

Las informaciones necesarias a la elección deldispositivo de insensibilización son:

calidad de la fuente (nivel máximo deperturbaciones presente),

exigencias de los receptores (sensibilidad encuanto a duración y profundidad).Sólo se puede llegar al equilibrio mediante unanálisis fino de los procesos y de lasconsecuencias técnicas y financieras de laperturbación.Existen diversas soluciones de insensibilización,según la potencia necesaria para la instalación yla duración del hueco de tensión o del corte.Frecuentemente es interesante estudiar lassoluciones distinguiendo entre la alimentaciónde los sistemas de mando, control y regulación, yla alimentación de los motores y de losconsumidores de gran potencia. En efecto, unhueco de tensión o un corte (incluso breve)puede ser suficiente para hacer caer todos loscontactores cuyas bobinas se alimentan delcircuito de potencia, con lo que los receptoresalimentados por estos contactores ya no recibenalimentación hasta el retorno de la tensión.

Insensibilización del control-mando

La insensibilización de unos procesos estágeneralmente basada en la insensibilizacióndel control-mando.El control-mando de los equipos consume, engeneral, poca energía y es sensible a lasperturbaciones; es pues con frecuencia máseconómico insensibilizar únicamente elcontrol-mando y no la alimentación de potenciade los equipos.Para mantener alimentado el sistema demando de las máquinas se requiere:

que no haya peligro para la seguridad delpersonal y de los equipos hasta el retorno dela red,

que las cargas y los procesos admitan uncorte breve del circuito de potencia (inerciafuerte o ralentización tolerada) y puedanreacelerar al vuelo al volver la tensión,

que la fuente de potencia pueda asegurar laalimentación del conjunto de receptores enrégimen permanente (caso de una fuente desustitución) pero también que pueda soportar lagran corriente de llamada provocada por elrearranque simultáneo de numerosos motores.Las soluciones consisten en alimentar todas lasbobinas de los contactores con una fuenteauxiliar segura (batería o grupo que gira con unvolante de inercia) o utilizar un relé temporizado ala conexión o incluso en conectar un rectificador yun condensador en paralelo con la bobina.


Insensibilización de la alimentación depotencia de los equipos

Ciertos receptores no soportan los niveles deperturbaciones alcanzados ni, incluso, loshuecos de tensión ni los cortes. En caso decargas «prioritarias», como ordenadores,alumbrados y sistemas de seguridad(hospitales, balizamiento de los aeropuertos,locales de pública concurrencia) y las cadenasde fabricación continua (fabricación desemiconductores, centros de cálculo, fabricaciónde cemento, tratamiento de aguas, logística,industria del papel, siderurgia, petroquímica, etc.).En función de la potencia necesaria para lainstalación y de la duración del hueco de tensióno del corte, la elección puede hacerse entre lasdiversas soluciones técnicas siguientes:

Sistemas de alimentación estáticaininterrumpida (SAI)Un SAI está constituido por tres elementosprincipales:

un rectificador-cargador, alimentado por lared, que transforma la tensión alterna entensión continua,

una batería, que se mantiene cargada, que,al producirse un corte, suministra la energíanecesaria a la alimentación de la carga a travésdel ondulador,

un ondulador, que transforma la corrientecontinua en corriente alterna.Se utilizan dos tecnologías: on-line y off-line.

La tecnología on-lineEn funcionamiento normal, la alimentación essuministrada permanentemente por elondulador, sin descargar la batería. Porejemplo, el caso de los onduladores Comet,Galaxy de la marca MGE-UPS. Aseguran lacontinuidad (sin cortes de conmutación) y la

calidad (regulación de tensión y de frecuencia)de la alimentación para las cargas sensibles dealgunas centenas a varios millares de kVA.Para conseguir más potencia y para asegurar laredundancia, pueden ponerse en paralelovarios SAI .En caso de sobrecarga, los receptores sealimentan a través del contactor estático(figura 9) desde la red 2 (que puede ser lamisma que la red 1).El paso a mantenimiento se realiza sin cortemediante un by-pass de mantenimiento.

La tecnología off-line (o stand-by)Se emplea para aplicaciones que nosobrepasan unos pocos kVA.En funcionamiento normal, los receptores sealimentan directamente de la red. En caso decaída de la red o de tensión fuera de límites, lautilización se transfiere automáticamente alondulador. Esta conmutación provoca un cortede 2 a 10 ms.

La conmutación de redesUn dispositivo da la orden de conmutación de lafuente principal a una fuente de sustitución (einversamente) para la alimentación de lascargas prioritarias y, si es necesario, da laorden de desconexión de las cargas noprioritarias. Existen tres tipos de conmutación,según la duración de transferencia (∆t):

síncrono (∆t = 0),con corte (∆t = 0,2 a 30 s),pseudo-sincrónico (0,1 s < ∆t < 0,3 s).

Estos dispositivos obligan a precaucionesespeciales (Cuaderno Técnico n° 161). Porejemplo, cuando la instalación tiene muchosmotores, sus reaceleraciones simultáneasprovocan una caída de tensión que puedeimpedir el rearranque o provocar rearranques

Batería

Disyuntor�batería (NC)

Interruptor�o�disyuntor �(NC)

Interruptor�(NC)

Utilización

Red 2

Red 1

Llegadas de red�de alimentación

Interruptor �(NC)

Contactor estático

By-pass manual de mantenimiento (NA)

Rectificador/cargador Ondulador

NA: normalmente� abierto�NC: normalmente� cerrado

Fig. 9: Esquema de principio de funcionamiento de una alimentación sin interrupción (SAI) on-line.


demasiado largos (con riesgo de calentamiento).Entonces es aconsejable prever un autómataque realice un rearranque escalonado de losmotores prioritarios, particularmente cuando seutiliza una fuente de sustitución (de socorro) depoca potencia de cortocircuito.Esta solución se aplica cuando una instalaciónno puede soportar un corte largo, superior aalgunos minutos, y/o necesita una gran potenciadisponible. Puede también preverse comocomplemento de un SAI.

Grupo a tiempo ceroEn ciertas instalaciones, la autonomía necesariaen caso de corte es tal que se instala un grupoelectrógeno (las baterías supondrían costesprohibitivos y problemas de realización técnica oproblemas de instalación). En caso de corte dered, esta solución permite efectuar, gracias a laautonomía de la batería o a la inercia de unvolante, el arranque del grupo electrógeno,esperar que alcance su velocidad de régimen, yordenar la desconexión-conexión sin cortemediante un conmutador de fuentes automático.

Compensadores electrónicosEstos dispositivos electrónicos modernoscompensan en una cierta medida los huecos de

tensión y los cortes con un corto tiempo derespuesta; por ejemplo, el compensadorautomático en tiempo real efectúa unacompensación en tiempo real de la potenciareactiva; está especialmente bien adaptado paracargas que varían rápidamente y de maneraimportante (soldadores, elevadores, prensas,machacadoras, arranque de motores...).

La parada adecuada

Si hay que soportar que se produzca unaparada, es especialmente importante impedirun rearranque no controlado cuando unrearranque intempestivo presenta un riesgopara el operador que está en la máquina (sierracircular, máquina giratoria) o para el equipo(depósito de compresores todavía con presión oescalonamiento en el tiempo de rearranque decompresores de equipos de aireacondicionado, bombas de calor o gruposfrigoríficos) o para la aplicación (necesidad decontrolar el rearranque de la fabricación). Así, unautómata puede asegurar un rearranqueautomático del proceso, según una secuenciade rearranque preestablecida, cuando lascondiciones vuelven a ser normales.Resumen (ver tabla)

Potencia Duración (valores indicativos) Solución de desensibilización�de la instalación y exigencias técnicas �

0 a 100 ms 400 ms 1 s 1 min > 3 min� 100 ms à 400 ms a 1 s a 1 min a 3 min �

Algunos VA Temporización de los� contactores.�

Alimentación en cc� con reserva por capacidad.�

< 500 kVA Grupo giratorio con� volante de inercia.�

< 1 MVA Conmutación de fuentes� (grupo electrógeno diesel).�

< 300 kVA Entre 15 minutos y varias horas, según la capacidad Alimentación en cc� de la batería. con reserva por batería.�

< 500 kVA La conmutación de fuentes de emergencia puede Grupo giratorio con volante de� provocar un corte breve. inercia y motor térmico o� fuente de emergencia.�

< 500 kVA Entre 15 minutos y varias horas, según la capacidad Motor de cc con una� de la batería. batería y un alternador.�< 1 MVA (hasta Entre 10 minutos (standard) y varias horas, SAI.�4.800 kVA con según la capacidad de la batería.�varios SAI en �paralelo)��

� Sistema de desensibilización eficaz�

� Sistema de desensibilización ineficaz


5.2 Armónicos

Existen al menos tres formas posibles parasuprimirlos o, al menos, reducir su influencia.Se dedica un párrafo específico al tema de lasprotecciones.

Reducción de las corrientes armónicasproducidas

Inductancia de líneaSe coloca una inductancia trifásica en serie conla alimentación (o integrada en el bus de cc delos convertidores de frecuencia), con lo que sereducen los armónicos de corriente de línea (enparticular, los de orden elevado) y por tanto, elvalor eficaz de la corriente absorbida, y tambiénla distorsión en el punto de conexión delconvertidor. Además, es posible instalarlo sinintervenir en el generador de armónicos y utilizarinductancias comunes a diversos variadores.

Utilización de rectificadores dodecafásicosEsta solución consigue, por combinación de lascorrientes, eliminar en el primario los armónicosde orden más bajo, como el 5º y 7º(frecuentemente, los más molestos, por sumayor amplitud). Necesita un transformador condos secundarios, uno en estrella y otro entriángulo, consiguiéndose no generar armónicosmás que de orden 12k ± 1.

Aparatos de muestreo senoidal (CuadernoTécnico nº 183)Este método consiste en utilizar convertidoresestáticos cuya etapa rectificadora utilice latécnica de conmutación PWM (Pulse WidthModulation) que absorbe una corriente senoidal.

Modificación de la instalaciónInmunizar las cargas sensibles con la ayuda

de filtrosAumentar la potencia de cortocircuito de la

instalaciónDesclasificar los equipos

Arrinconar o confinar las cargas perturbadorasAnte todo, hay que conectar los equipossensibles lo más cerca posible de su fuente dealimentación.A continuación, hay que identificar, y despuésseparar, las cargas perturbadoras de las cargassensibles, por ejemplo alimentándolas desdefuentes separadas o mediante transformadoresdedicados exclusivamente a ellas. Todo estosabiendo que las soluciones que consisten enactuar sobre la estructura de la instalación son,en general, pesadas y costosas.

Protecciones y sobredimensionamiento delos condensadoresLa elección de esta solución depende de lascaracterísticas de la instalación. Una reglasimplificada permite elegir el tipo de equipo conGh (potencia aparente de todos los generadoresde armónicos que están alimentados por elmismo juego de barras que los condensadores)y Sn (potencia aparente de el o los trafos aguasarriba):– si Gh/Sn ≤ 15% es conveniente utilizar equiposde tipo estándar,– si Gh/Sn >15%, hay que pensar en dossoluciones:1.- Caso de redes contaminadas(15% < Gh/Sn ≤ 25 %): hay quesobredimensionar en corriente la aparamenta ylas conexiones en serie; y, en tensión, loscondensadores.2.- Caso de redes muy contaminadas(25% < Gh/Sn ≤ 60%): hay que asociar bobinas(selfs) antiarmónicos a los condensadoressintonizados a una frecuencia inferior a lafrecuencia del armónico más bajo (por ejemplo,215 Hz para una red de 50 Hz) (figura 10). Estoelimina los riesgos de resonancia y contribuye areducir los armónicos.

Z ( )

f (Hz)

Zona de presencia de armónicos

�

fr far

�

Sólo la red�con condensador�con self anti-armónico

Fig. 10: Efectos de una self (autoinducción) antiarmónicos en la impedancia de una red.


FiltradoEn el caso de Gh/Sn > 60%, el cálculo y lainstalación del filtro de armónico deben serrealizados por especialistas (figura 11).

Filtro pasivo (Cuaderno Técnico nº 152)Consiste en colocar una impedancia baja a lasfrecuencias a atenuar mediante una adecuadaconfiguración de componentes pasivos(inductancia, condensador, resistencia). Estaunidad se instala en derivación con la red. Parafiltrar varias componentes, pueden sernecesarios varios filtros pasivos en paralelo. Eldimensionamiento de los filtros armónicos

Carga(s)

Filtro activo

Red

Carga(s)

Filtro �híbrido

Filtro activo

Filtro pasivo

Red

Red Carga(s)�contaminante(s)

Filtro(s)�pasivo(s)

Fig. 11: Principios y características del filtrado pasivo, activo e híbrido.

Filtro Principio CaracterísticasPasivo Derivación mediante un circuito LC sintonizado Sin límites en corriente armónica.

a cada una de las frecuencias del armónico a Se asegura la compensación de energíaeliminar. reactiva.

Eliminación de uno o varios órdenes dearmónicos (normalmente: 5, 7, 11). Un filtropara uno o dos de los rangos a compensar.

Riesgo de amplificación de los armónicosen caso de modificación de la red.

Riesgo de sobrecarga por perturbaciónexterior.

Filtro «de red» (global). Estudio caso por caso.

Activo Generación de una corriente que anula todos los Solución que se adapta bien para elarmónicos creados por la carga. filtrado de «una máquina» (local).

Filtrado de una gran banda defrecuencias (eliminación de los armónicosdesde el rango 2 al 25).

Se autoadapta: modificación de la red sin influencia, se adapta a todas las variaciones de la

carga y del espectro armónico, solución evolutiva y flexible en función

de cada tipo de carga. Estudio simplificado.

Híbrido Abarca las ventajas de las soluciones defiltrado pasivo y activo y cubre un ampliomargen de potencias y prestaciones:

Filtrado de un ancho margen defrecuencias (eliminación de armónicos del2º al 25º).

Compensación de energía reactiva. Gran capacidad de filtrado en corriente. Buena solución técnico-económica para

un filtrado «de red».

debe de ser cuidadoso: un filtro pasivo maldiseñado puede conducir a resonancias cuyoefecto es amplificar las frecuencias que no eranperjudiciales antes de su instalación.

Filtro activo (Cuaderno Técnico n° 183)Consiste en neutralizar los armónicos emitidospor la carga analizando los armónicosconsumidos por la carga y reconstruir la mismacorriente armónica con la fase conveniente. Esposible poner en paralelo varios filtros activos.Un filtro activo puede ser, por ejemplo,asociarse a un SAI para reducir los armónicosinyectados aguas arriba.


Filtro híbridoSe compone de un filtro activo y un filtro pasivosintonizado con el armónico preponderante (porejemplo, el 5º) y que suministra la energíareactiva necesaria.

Caso particular: los interruptores automáticos(Cuaderno Técnico nº 182)Los armónicos pueden provocar disparosintempestivos de los dispositivos de protección;para evitarlos, conviene escoger bien estosaparatos.Los interruptores automáticos pueden estarequipados con dos tipos de relés disparadores,magnetotérmicos o electrónicos.Los primeros (magnetotérmicos) sonespecialmente sensibles a los armónicosdebido a sus captadores térmicos que «ven»correctamente la carga real que sufren losconductores por la presencia de los armónicos.

Por este motivo, se adaptan bien al uso,(especialmente doméstico e industrial) encircuitos de intensidades pequeñas.Los segundos (electrónicos), por su sistema decálculo de las intensidades que lo atraviesan,pueden tener el riesgo de disparo intempestivo,por lo que hay que escoger bien estos aparatosy prestar atención al hecho de que miden elverdadero valor eficaz de la corriente (RMS).Estos aparatos tienen entonces la ventaja deseguir mejor la evolución de la temperatura delos cables, particularmente en el caso decargas con funcionamiento cíclico pues sumemoria térmica es mejor que la de lostermoelementos de calentamiento indirecto.

La desclasificaciónEsta solución, aplicable a ciertos equipos, esuna solución fácil y con frecuencia suficiente,para los problemas ocasionados por losarmónicos.

Una buena coordinación del aislamientoconsiste en lograr la protección de personas yde equipos contra las sobretensiones con elmejor compromiso técnico-económico posible.Se necesita (Cuaderno Técnico nº 151):

conocer el nivel y la energía de lassobretensiones que puedan existir en la red,

escoger el nivel de resistencia a lassobretensiones de los componentes de la redque permita soportar estos valores,

utilizar protecciones cuando sea necesario.Evidentemente, las soluciones a aplicardependen del tipo de sobretensiones que seencuentren.

Sobretensiones a frecuencia industrial

Desconectar todos o parte de loscondensadores cuando hay poca carga.

Evitar configuraciones con riesgo deferrorresonancia o introducir pérdidas(resistencias de amortiguamiento) queamortigüen el fenómeno (Cuaderno Técniconº 190).

Sobretensiones de maniobra

Limitar los transitorios provocados por lamaniobra de condensadores mediante lainstalación de bobinas de choque (self) yresistencias de preinserción. Loscompensadores estáticos automáticos, que

5.3 Sobretensiones

permiten controlar el instante de conexión, estánparticularmente adaptados a aplicaciones BT,pero no soportan las sobretensiones transitorias(autómatas industriales, informática).

Colocar inductancias de línea aguas arribade los convertidores de frecuencia para limitarlos efectos de las sobretensiones transitorias.

Utilizar, en la acometida BT, interruptoresautomáticos con diferenciales selectivos (tipo«S») e interruptores automáticos diferencialessuperinmunizados de tipo «si» (I∆n = 30 mA y300 mA). Su utilización evita disparosintempestivos debidos a corrientes de fugatransitorias: sobretensiones atmosféricas, demaniobra, conexión de circuitos con grancapacidad respecto a tierra (filtros capacitativosconectados a tierra, redes de cables extensas),lo que provoca la circulación de corriente aguasabajo del DDR (Dispositivo de corrienteDiferencial Residual) a través de lascapacidades a la tierra de la red.

Sobretensiones atmosféricas

Protección primariaProtege el edificio y su estructura contra losimpactos directos del rayo (pararrayos, jaulasmalladas (de Faraday), cables de guarda / cablede tierra).

Protección secundariaProtege los equipos contra las sobretensionesatmosféricas que siguen a la descarga de rayo.


Los limitadores de sobretensión (cada vezmenos, explosores) se instalan en los puntosde las redes AT y MT, especialmente expuestas,y a la entrada de los centros de transformaciónMT/BT (Cuaderno Técnico nº 151).En BT, se instalan a la vez, lo más arriba posiblede la instalación BT (a fin de proteger lo másglobalmente posible) y lo más cerca posible delos receptores eléctricos. A veces, es necesariala instalación en cascada de limitadores desobretensiones: uno, en cabeza de lainstalación, y otro, lo más cerca posible de losreceptores (Cuaderno Técnico n° 179). A unlimitador de sobretensiones BT siempre se le

asocia un dispositivo de desconexión. Por otraparte, la utilización de un interruptor automáticodiferencial y selectivo en la acometida BT, evitaque la derivación de corriente a tierra a travésdel limitador provoque el disparo intempestivodel interruptor automático de entrada, lo que esincompatible con ciertos receptores(congelador, programador...). Hay que indicarque las sobretensiones pueden propagarsehasta un aparato por otras vías distintas de laalimentación eléctrica: las líneas telefónicas(teléfono, fax), los cables coaxiales (conexionesinformáticas, antenas de televisión). Existen enel mercado protecciones específicas para ello.

5.5 Desequilibrios

Las soluciones consisten en:equilibrar las cargas monofásicas en las tres

fases,disminuir la impedancia de la red aguas

arriba de los generadores de desequilibrio,aumentar las potencias de los transformadoresy la sección de los cables,

5.4 Fluctuaciones de tensión

Las fluctuaciones producidas por las cargasindustriales pueden afectar a un gran númerode consumidores alimentados por la mismafuente. La amplitud de la fluctuación depende dela razón entre la impedancia del aparatoperturbador y la de la red de alimentación. Lassoluciones consisten en:

Cambiar el tipo de alumbradoLas lámparas fluorescentes tienen unasensibilidad menor que las de incandescencia.

Instalar una alimentación sin interrupciónPuede resultar rentable cuando los usuariosafectados están identificados y agrupados.

Modificar el perturbadorCambiar el sistema de arranque de los motorescon arranques frecuentes permite, por ejemplo,reducir las sobreintensidades.

Modificar la redAumentar la potencia de cortocircuito

conectando los circuitos de alumbrado lo máscerca posible de la alimentación.

Alejar «eléctricamente» la carga perturbadorade los circuitos de alumbrado, alimentando lacarga perturbadora con un transformadorindependiente.

Utilizar un compensador automáticoEste equipo realiza una compensación entiempo real, fase a fase, de la potencia reactiva.El flicker puede reducirse entre un 25% y un 50%.

Colocar una reactancia serieColocando una reactancia serie aguas arriba deun horno de arco, se reduce la corriente deconexión, y con ello, la tasa de flicker en un 30%.

prever una protección adaptada de lasmáquinas,

utilizar cargas L, C adecuadamenteconectadas (montaje de Steinmetz).


5.6 Resumen

Variaciones yfluctuaciones detensión

Huecos de tensión

Cortes

Armónicos

Interarmónicos

Sobretensionestransitorias

Desequilibrios detensión

Variaciones importantesde carga (máquinas desoldar, hornos dearco...).

Cortorcircuito,conmutación de cargasde gran potencia(arranque demotores...).

Cortocircuito,sobrecargas,mantenimiento, disparosintempestivos.

Cargas no lineales(variadores develocidad, hornos dearco, máquinas desoldar, lámparas dedescarga, tubosfluorescentes...).

Cargas fluctuantes(hornos de arco,máquinas de soldar...),convertidores defrecuencia.

Maniobra deaparamenta y decondensadores, rayo.

Cargas desequilibradas(cargas monofásicasde gran potencia...).

Fluctuación de la luminosidad de laslámparas (parpadeo o flicker).

Perturbación o parada del proceso:pérdida de datos, datos erróneos,caída de contactores, bloqueo devariadores de velocidad, ralentizacióno pérdida de inercia de motores,extinción de lámparas de descarga.

Sobrecargas (de conductor deneutro, de fuentes...), disparosintempestivos, envejecimientoacelerado, degradación delrendimiento energético, pérdida deproductividad.

Perturbación de las señales detarificación, parpadeo (flicker).

Bloqueo de variadores de velocidad,disparos intempestivos, destrucciónde la aparamenta, incendios, pérdidasde explotación.

Par motor invertido (vibraciones) ysobrecalentamiento de máquinasasíncronas.

Compensador electromecánico de energíareactiva, compensador automático en tiemporeal, compensador electrónico en serie,regulador de carga.

SAI, compensador automático en tiempo real,regulador electrónico dinámico de tensión,arranque progresivo, compensador electrónicoserie.Aumentar la potencia de cortocircuito (Pcc).Modificar la selectividad de las protecciones.

SAI, conmutación mecánica de fuentes,conmutación estática de fuentes, gruposelectrógenos sin corte, interruptoresautomáticos shunt, telecontrol.

Choques (self) antiarmónicos, filtro pasivo oactivo, filtro híbrido, inductancia de línea.Aumentar la Pcc.Agrupar las cargas perturbadoras.Desclasificar los equipos.

Reactancia en serie.

Limitador de sobretensión, pararrayos,conexión sincronizada, resistencia depreinserción, bobina (self de choque),compensador automático estático.

Equilibrar las cargas.Compensador electrónico shunt, reguladorelectrónico dinámico de tensión.Aumentar la Pcc.

Tipos de Orígenes Consecuencias Ejemplos de solucionesperturbación (equipos específicos y modificaciones)


6 Estudio de casos concretos

6.1 Filtro híbrido

Descripción de la instalación

Los remontes mecánicos se alimentan desdeun transformador MT/BT (800 kVA).Las cargas conectadas son las telesillas y,además, otras cargas, como las cajasregistradoras, los sistemas de validación deforfaits, la instalación de cronometraje oficialpara competiciones y una red telefónica.

Problemas encontrados

Durante el funcionamiento del telesilla, la red debaja tensión procedente del transformadorMT/BT resulta perturbada.Las medidas efectuadas in situ demuestran lapreexistencia de una tasa muy importante dedistorsión armónica en tensión (THD ≈ 9%)procedente de la red MT, así como unaperturbación armónica procedente de la

Cargas lineales

Generador�de armónicos

Filtro �pasivo�rango 5

Transformador �MT/BT

PCC

Filtro�activo

Filtro híbrido

�

Fig. 13: Equipo Rectiphase de filtrado híbrido (MerlinGerin).Fig. 12: Aplicación e instalación de la solución.

alimentación del telesilla. La deformaciónresultante de la tensión de alimentación(THD ≈ 12%) afecta a los receptores sensibles(cajas registradoras, cronometraje...).

Soluciones

El objetivo del dispositivo es asegurar a la vez lacompensación de energía reactiva en presenciade armónicos y la neutralización de losarmónicos susceptibles de perturbar lainstalación.La solución aplicada (figura 12) es la instalaciónde un filtro híbrido (figura 13) compuesto por unfiltro pasivo sintonizado con la frecuencia delarmónico preponderante (H5) que suministra laenergía reactiva necesaria (188 kVAr) y por unfiltro activo, de calibre 20 A, utilizado para eltratamiento de los otros órdenes de armónicos.


6.2 Compensación automática en tiempo real


Fábrica de equipos para el automóvil localizadaen Concord (Ontario-Canadá) que se alimentade un transformador de 2000 kVA; 27,6 kV/600 V;Yy; Ucc = 5,23%.Fabrica tubos de escape a partir de chapa deacero mediante soldadura por puntos y porroldanas.


Cansancio visual y nervioso del personal,debido a la fluctuación de la luminosidad de laslámparas (parpadeo o flicker), cuando lassoldadoras están en funcionamiento.

Molestias sonoras y envejecimiento mecánicoprematuro de los equipos provocados por lasvibraciones, principalmente en el transformador yde la aparamenta de mando cuando lassoldadoras están en funcionamiento.

0THD H5 H7 H11 H17 H23

%

2

4

68

10

12

14Sin filtro�Filtro H5�Filtro híbrido

05

101520253035

40

a

b

THD H5 H7 H11 H17 H23

Sin filtro�Filtro H5�Filtro híbrido

%

�

Imposibilidad de añadir nuevos equipos pormiedo a sobrecargar la instalación (presencia deuna corriente de cresta, en el momento desoldar, superior a la corriente nominal delinterruptor automático de entrada). La expansiónde la instalación necesita, por tanto, inversionescostosas, o para redimensionar la instalaciónexistente, o para instalar un nuevo centro detransformación.

Penalizaciones anuales de 5000 euros, porsobrepasar el consumo de energía reactiva(factor de potencia de 0,75).

Piezas defectuosas a causa de defectos desoldadura que se detectan al final de lafabricación, en el momento de dar forma a lostubos.Todo esto reduce la productividad de la empresa.

Las medidas, después de instaladas, indicanque este dispositivo permite reducir la amplitudde los armónicos en un amplio rango dearmónicos en corriente y en tensión (figura 14) yhace pasar la tasa de distorsión en tensión del12,6% al 4,47%. Tiene también el efecto depasar el factor de potencia de la instalación de0,67 a 0,87. Esta solución ha permitido resolvertodos los problemas sin que se haya observadodespués ninguna disfunción.

Fig. 14: Espectros mostrando la eficacia de un filtrohíbrido [a] en tensión, [b] en corriente.


Soluciones

Las medidas efectuadas durante elfuncionamiento de las soldadoras ponen enevidencia una tensión nominal de 584 V, o sea,huecos de tensión de una profundidad del 5,8%,picos de corriente de 2000 A y picos de potenciareactiva de 1200 kVAr (figura 15).Los problemas encontrados tienenevidentemente origen en las fluctuaciones detensión provocadas por el funcionamiento delas soldadoras, que son cargas con variacionesrápidas y frecuentes que consumen unaimportante potencia reactiva.Un hueco de tensión del 6% tiene comoconsecuencia una reducción del 12% (1-0,942)de la energía disponible para la soldadura. Estoexplica el importante número de soldadurasdefectuosas.Los dispositivos clásicos de compensación deenergía reactiva, que utilizan contactoreselectromecánicos, no permiten alcanzar eltiempo de respuesta necesaria; las maniobrasde conexión escalonada de los condensadoresse temporizan voluntariamente para reducir elnúmero de maniobras y no reducir la esperanzade vida de los contactores con un desgasteprematuro, pero también para permitir ladescarga de los condensadores.

La solución aplicada ha sido la instalación deuna compensación automática en tiempo real(figura 16). Este dispositivo innovador permite:

una compensación rapidísima de lasvariaciones de potencia reactiva en un períodode la fundamental (16,6 ms a 60 Hz; 20 ms a50 Hz), particularmente bien adaptada al casode las cargas que varían rápidamente y demanera importante (soldadoras, elevadores,prensas, machacadoras, arranque demotores...),

una conexión sin transitorio, conseguida porel control del instante de conexión,especialmente interesante con cargas que nosoportan sobretensiones transitorias(autómatas industriales, equipos informáticos),

un aumento de la esperanza de vida delos condensadores y de los contactores, puestoque se evitan movimientos mecánicosinnecesarios y sobretensiones.Una compensación de 1200 kVAr habría sidoideal para minimizar los huecos de tensión,pero se han juzgado suficientes 800 kVAr paramantener la tensión a un nivel aceptable paratodos los procesos de la fábrica en todas lascondiciones de carga.

Fig. 16: Compensador automático en tiempo real: [a]principio, [b] realización práctica.

Fig. 15: Mejoras aportadas por el compensadorautomático en tiempo real.

L1 L2 L3Antes Después

Tensión (V) 584 599Hueco de tensión

Profundidad (%) 5,8 3,2Duración (ciclo) 20 a 25 10 a 15

CorrienteMedia 1000 550De cresta 2000 1250

Potencia reactiva (kVAr) 600 a 1200 0 a 300Factor de potencia 0,75 > 0,92

[a] [b]


Tensión�(V)

a340

335

330

1500

1000

1000

500

350

340

1250

750

5000

Corriente�(A)

kVAr

Tensión�(V)

b

Fase 1

Corriente�(A)

kVAr

d = 3 s

d = 1,5 s

Fase 2 Fase 3 Media

Compensador�automático

Con Sin

VS

V V

V

VS VS

VL VLVLEquipo de�

soldar

La aplicación de la solución ha permitido(figura 17):

reducir los picos de corriente a 1250 A y asípoder añadir cargas suplementarias sinmodificación de la instalación, mejorando elrendimiento de la instalación por reducción delas pérdidas por efecto Joule,

reducir los picos de potencia reactiva a300 kVAr y aumentar el factor de potencia porencima de 0,92, lo que además evita laspenalizaciones en la facturación energética;

aumentar la tensión nominal a 599 V y reducirla profundidad de los huecos de tensión al 3,2%(figura 16), lo que es consecuencia delaumento del factor de potencia y de la reducciónde la amplitud de la corriente (figura 18).El cansancio visual y nervioso del personal,debido al flicker, también se ha eliminado. Seha mejorado la calidad de las soldaduras y lacadencia de producción.

Fig. 17: Medida de corrientes, tensiones y potencia reactiva: [a] sin compensación, [b] con compensación.

Fig. 18: Reducción de la caída de tensión conseguida con un compensador automático en tiempo real.



Instalación que está compuesta por oficinas(material informático, alumbrado y calefacción),de un puesto de vigilancia (alarma de incendios,alarma de intrusos, control de accesos,vigilancia por cctv) y de tres edificios industrialesde proceso, todo ello instalado en 10 hectáreasen la región de Avignon (nivel ceráunico odensidad de caída de rayo de 2 impactos porkm2 y año).El paraje está rodeado de algunos árboles y deestructuras metálicas (postes). Todos losedificios están equipados con pararrayos. Lasalimentaciones MT y BT son subterráneas.


Descargó una tormenta en el lugar y destruyó lainstalación BT de seguridad del puesto devigilancia, provocando unas pérdidas deexplotación de 36000 euros. La existencia depararrayos ha evitado el incendio de la estructura,pero los equipos eléctricos destruidos noestaban protegidos por limitadores desobretensión, en contra de la recomendación delas normas UTE C-15443 y CEI 61024.

Soluciones

Después de analizar la red de equipotencialidady la de tomas de tierra y después también decomprobar la instalación de los pararrayos ycontrolar el valor de la resistencia de las tomasde tierra, se ha decidido instalar limitadores desobretensión.Se han instalado limitadores de sobretensiónen cabeza de la instalación (cuadro general BT)y, en cascada, en cada edificio de la fábrica(figura 19). Como el esquema de conexión atierra o esquema de neutro era TN-C, laprotección sólo era útil en modo común (entrefases y CPN o PEN).Conforme a la guía UTE C-15443, en presenciade pararrayos, las características de loslimitadores PF65 y PF8 de marca Merlin Gerin(figura 20), son:

En cabeza de instalaciónIn = 20 kA; Imáx = 65 kA; Up = 2 kV,

En cascada (con una distancia mínima entreellos de 10 m)In = 2 kA; Imáx = 8 kA; Up = 1,5 kV.Estos últimos aseguran una protección fina anivel de los cuadros de distribución intermedios(oficina y puesto de vigilancia).

El esquema de conexión a tierra se ha pasado aTN-S, para asegurar la protección en modocomún (entre fase y CP o PE) y en mododiferencial (entre fases y neutro). Losdispositivos de desconnexion asociados sonaquí interruptores automáticos con un poder decorte de 22 kA.

6.3 Protección contra el rayo

CGBT�Edificio 2

PF8PF8

PF65

PF65

CGBT�Edificio 1

Cuadro�intermedio�Edificio 1

Cuadro�intermedio�Edificio 1

3LN

3LN

LN

LN

Fig. 20: Limitadores de sobretensión BT (PF65 y PF8de Merlin Gerin).

Fig. 19: Esquema de instalación en cascada devarios limitadores de sobretensión.

PF65 PF8


7 Conclusión

Las perturbaciones eléctricas pueden originarseen la red del distribuidor, en la instalación delusuario afectado o en la de un utilizador próximo.Según el contexto económico y el campo deaplicación, estas perturbaciones tienen diversasconsecuencias, que afectan desde a laincomodidad hasta el deterioro de los mediosde producción, e incluso al riesgo para laspersonas.La búsqueda de una mejor competitividad delas empresas y la desregulación del mercadode la energía eléctrica hacen que la calidad de

ésta sea un objetivo estratégico de lasempresas de electricidad, del personal deexplotación y de mantenimiento, de la gestiónde emplazamientos industriales y terciarios yhasta de los fabricantes de equipos.Entretanto, las perturbaciones no deben sersufridas como una fatalidad, pues existensoluciones. Su definición y aplicación, dentro delrespeto a las reglas del arte, y su mantenimientopor especialistas permiten conseguir una calidadde alimentación personalizada adaptada a lasnecesidades de cada usuario.


8 Bibliografía

Normas

CEI 61000-X-X - Compatibilidadelectromagnética (CEM):

2-1: Entorno electromagnético. 2-2: Niveles de compatibilidad (redes

públicas de alimentación en BT). 2-4: Niveles de compatibilidad (instalaciones

industriales BT y MT). 2-5: Clasificación de los entornos

electromagnéticos. 3-2: Límites de emisiones de corrientes

armónicas (corriente de conexión ≥ 16 A). 3-3 y 3-5: Limitación de las fluctuaciones de

tensión y de flicker en las redes BT para lascorrientes de conexión ≥ 16 A.

3-6: Evaluación de los límites de emisiónpara cargas perturbadoras conectadas a la redMT y AT.

3-7: Evaluación de los límites de emisión delas cargas fluctuantes sobre redes MT y AT.

4-7: Medidas de armónicos e interarmónicos. 4-11: Ensayos de inmunidad a los huecos de

tensión, cortes breves y variaciones de tensión. 4-12: Ensayos de inmunidad a las ondas

oscilatorias. 4-15: Contador de parpadeos. Otras normas y leyes Unión Europea: «Council Directive 85/374 on

the approximation of the laws of the MemberStates relating to the liability for defecticeproducts». Diario oficial (07.08.1985).

EN 50160: Caractèristiques de la tensionfournie par les réseaux publics de distribution(07-1994).

Application Guide to the European StandardEN 50160 on «Voltage Characteristics ofElectricity by Public Distribution Systems» Julio1995-UNIPEDE.

IEEE Std 1159-1995: Recommended Practicefor Monitoring Electric Power Quality.

IEEE Std 1000-1992: IEEE RecommendedPractice for Powering and Grounding SensitiveElectronic Equipment.

CEI 60071-1: Coordination de l'isolement. VEI 60050(161): Vocabulaire Electrotechnique

International.

Cuaderno Técnicos Schneider

Los dispositivos diferenciales residualesen BT.R. CALVAS. Cuaderno Técnico nº 114.

Las perturbaciones eléctricas en BT.R. CALVAS. Cuaderno Técnico nº 141.

La CEM: la compatibilidad electromagnética.F. VAILLANT. Cuaderno Técnico nº 149.

Sobretensiones y coordinación delaislamiento.D. FULCHIRON. Cuaderno Técnico nº 151.

Perturbaciones armónicas en las redesperturbadas y su tratamiento.C. COLLOMBET, J-M. LUPIN y J.SCHONEK.Cuaderno Técnico nº 152

Onduladores y armónicos (caso de cargas nolineales).J-N. FIORINA. Cuaderno Técnico nº 159

Armónicos aguas arriba de los rectificadoresde los SAI.J. N. FIORINA. Cuaderno Técnico nº 160.

Conmutación automática de alimentacionesen las redes AT y BT.G. THOMASSET. Cuaderno Técnico nº 161.

El diseño de redes industriales en AT.G. THOMASSET. Cuaderno Técnico nº 169.

Los esquemas de conexión a tierra en BT(regímenes de neutro).B. LACROIX y R. CALVAS. Cuaderno Técniconº 172.

Los esquemas de conexión a tierra en elmundo y su evolución.B. LACROIX, R. CALVAS. Cuaderno Técniconº 173.

Flicker o parpadeo de las fuentes luminosas.R. WIERDA. Cuaderno Técnico n° 176.

Perturbaciones en los sistemas electrónicos yesquemas de conexión a tierra.R. CALVAS. Cuaderno Técnico nº 177.

El esquema IT (neutro aislado) de losesquemas de conexión a tierra en BT.F. JULLIEN, I. HERITIER. Cuaderno Técniconº 178.

Sobretensiones y pararrayos en BT.Coordinación del aislamiento en BT.Ch. SERAUDIE. Cuaderno Técnico nº 179.


Los interruptores automáticos BT ante lascorrientes armónicas impulsionales o cíclicas.M. COLLOMBET, B. LACROIX. Cuaderno Técniconº 182.

Armónicos: convertidores y compensadoresactivos.E. BETTEGA, J-N. FIORINA. Cuaderno Técniconº 183.

Coexistencia de corrientes fuertes y corrientesdébiles.R. CALVAS, J. DELABALLE. Cuaderno Técniconº 187.

Maniobra y protección de baterías decondensadores MT.D. KOCH. Cuaderno Técnico nº 189.

La ferroresonancia.Ph. FERRACCI. Cuaderno Técnico nº 190.

Obras diversas

Guide to quality of electrical supply forindustrial installations. Part 2: voltage dips andshort interruptions. Working Group UIE PowerQuality 1996.

Guide de l'ingénierie électrique des réseauxinternes d'usines. Collection ELECTRA.

Method of symmetrical co-ordinates applied tothe solution of polyphase networks - Trans.Amer. Inst. Electr.Engrs, Junio 1918 - C.L.FORTESCUE .

Supply Quality Issues at the Interphasebetween Power System and IndustrialConsumers, PQA 1998. A.ROBERT.

Real time reactive compensation systems forwelding applications - PQ 1998, R. WODRICH.

Low voltage hybrid harmonic filters, technical& economic analysis - PQ 1999, J. SCHONEK.

Cuaderno Técnico nº 199 - Schneider Electric

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