Bajadas de TensinIntroduccin

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Interruptores

CENTRO ESPAOL DEINFORMACIN DEL COBRE

Gua de Calidadde la Energa Elctrica

Bajadas de tensinIntroduccin

David ChapmanCopper Development Association UK

Marzo 2001

(Versin 0b Noviembre 2001)

European Copper Institute (ECI)El European Copper Institute (ECI) es una joint venture formada por ICA (International Copper Association) y losmiembros del IWCC (International Wrought Copper Council). Por medio de sus socios, ECI acta en nombre delos principales productores mundiales de cobre y fabricantes europeos promoviendo la utilizacin del cobre enEuropa. Fundado en Enero de 1996, ECI est respaldado por una red de diez Centros de Promocin del Cobre enAlemania, Benelux, Escandinavia, Espaa, Francia, Grecia, Hungra, Italia, Polonia y Reino Unido. ECI continalos esfuerzos inicialmente emprendidos por la Copper Products Development Association, fundada en 1959, eINCRA (International Copper Research Association) fundada en 1961.

Centro Espaol de Informacin del Cobre (CEDIC)CEDIC es una asociacin privada sin fines de lucro que integra la prctica totalidad de las empresas fundidoras-refinadoras y semitransformadoras de cobre y de sus aleaciones en Espaa. Su objetivo es promover el usocorrecto y eficaz del cobre y sus aleaciones en los distintos subsectores de aplicacin, mediante la compilacin,produccin y difusin de informacin.

ReconocimientosEste proyecto ha sido llevado a cabo con el apoyo de la Comunidad Europea y la International CopperAssociation, Ltd

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ResponsabilidadEl contenido de este proyecto no refleja necesariamente la posicin de la Comunidad Europea, y no suponeninguna responsabilidad por parte de la Comunidad Europea.

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CENTRO ESPAOL DEINFORMACIN DEL COBRE

Bajadas de Tensin

1

Figura 1 - La causa de las bajadas de tensin

Bajadas de TensinUna bajada de tensin, denominada tambin a veces "valle o hueco de tensin", es una reduccin o una prdida totalde la tensin eficaz (RMS) de alimentacin de un sistema elctrico durante un breve periodo de tiempo. Se describe deacuerdo con su duracin y la tensin remanente que, por lo general, se expresa en porcentaje de la tensin eficaz (RMS)nominal en el momento en que dicha tensin remanente alcanza su valor ms bajo. Una bajada de tensin supone quea la carga no le llegar la energa necesaria para su funcionamiento, lo que puede acarrear graves consecuencias quedependern del tipo de carga de que se trate.

Los depresiones de la tensin - bajadas de tensin de larga duracin - se producen habitualmente por una reduccindeliberada de la tensin por parte del proveedor con el fin de reducir la carga en un momento de mxima demanda opor un suministro inusualmente dbil en relacin con la carga.

Los motores elctricos dotados de reguladores de velocidad, son particularmente sensibles a las bajadas de tensinporque la carga sigue solicitando una energa que ya no est disponible, excepto la derivada de la inercia del motor. Enlos procesos en los que funcionan varias motores simultneamente, los elementos de control de cada uno de ellospueden detectar la prdida de tensin y desconectar la unidad correspondiente con un valor de tensin distinto del deactuacin de los controladores de los dems motores y con un rgimen de deceleracin tambin diferente, lo queprovocar una prdida total del control del proceso. Los equipos de proceso de datos y de control son tambin muysensibles a las bajadas de tensin ya que stas pueden provocar prdidas de datos y un tiempo considerable de paradapor avera. Las implicaciones financieras pueden ser muy graves y se abordan en la seccin 2.

Las dos principales causas de las bajadas de tensin son la puesta en servicio de grandes cargas, bien sea en la insta-lacin del propio usuario afectado o en la de otro utilizador conectado al mismo circuito y los fallos en otras partes dela red.

Bajadas de tensin provocadas por grandes cargasCuando se conectan cargas muy grandes a la instalacin, tales como motores elctricos de gran potencia, la corrientede arranque puede ser muy superior a la corriente normal de funcionamiento. Si la fuente de alimentacin y el cablea-do de la instalacin estn dimensionados para la corriente de funcionamiento normal, la elevada corriente inicialprovocar una cada de tensin tanto en la red de suministro como en la instalacin. La magnitud del efecto produci-do depende de lo "robusta" que sea la red, es decir, de lo baja que sea la impedancia en el punto de acoplamientocomn (PCC) y de la impedancia del cableado de la instalacin. Las bajadas de tensin producidas por las corrientesde arranque se caracterizan por ser menos profundas y de una duracin mucho mayor que las provocadas por fallos dela red, normalmente de uno a varios segundos o decenas de segundos, en lugar de durar menos de un segundo.

G

0.1

G Generador

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Nivel 1

Impedancias 1

Level 1

Nivel 2

Nivel 3

Carga 3 Carga 1

1

1111 1F.3

Otras cargas

Carga 2

Interruptores

Introduccin

2

Los problemas de la propia instalacin, derivados de una resistencia demasiado alta en el cableado interno, son fcilesde resolver. Las grandes cargas deben conectarse directamente a la fuente de suministro de la tensin adecuada, bienal PCC o en el secundario del transformador de alimentacin. Si el problema lo ha provocado la impedancia del PCC,es decir, si la fuente de suministro es demasiado "dbil", entonces ser preciso tomar otras medidas. Una solucin, sies posible aplicarla al equipo en cuestin, podra ser la instalacin de un dispositivo de puesta en marcha regulado, deforma que la corriente de arranque quede limitada a un valor ms bajo, a expensas de que dicha corriente de arranquese mantenga durante un tiempo bastante ms largo. Otra solucin sera pactar con la compaa suministradora la ins-talacin de una acometida de impedancia ms baja, lo que puede ser muy costoso dependiendo de la geografa de lared de distribucin en la zona. Si no se puede controlar la causa de las bajadas de tensin, ser necesario colocar unequipo para compensarlas. Los tipos de equipos adecuados pueden ir desde los tradicionales estabilizadores mecni-cos servo-controlados hasta los cambiadores de toma controlados electrnicamente y los restauradores dinmicos detensin. Estos equipos se describen en la seccin 5.3.

Bajadas de tensin producidas por fallos de la redUna red de distribucin de energa elctrica es muy compleja. La magnitud de una bajada de tensin en un punto de-terminado, debida a un fallo en otra parte de la red, depende de la topologa de sta y de las impedancias relativas dellugar donde se produjo el fallo, de la carga y de los generadores en sus puntos de acoplamiento. En la figura 1 se mues-tra un ejemplo.

Un fallo en la posicin F3 provoca una bajada de tensin del 0% en la carga 3, una bajada del 64% en la carga 2 y del98% en la carga 1. Un fallo en F1 afectar a todos los usuarios con una bajada del 0% en la carga 1 y del 50% en todaslas dems cargas. Obsrvese que un fallo en el nivel 1 afecta a muchos ms consumidores y con mayor gravedad queun fallo en el nivel 3. Las cargas conectadas al nivel 3 probablemente sufrirn muchas ms bajadas de tensin que unacarga conectada al nivel 1, porque en ese nivel hay ms puntos de fallo potenciales, que estn afectados por los fallosen el nivel 1 y en el nivel 2. Las cargas de los niveles 2 y 1 son progresivamente menos sensibles a los fallos en el nivel3. Cuanto "ms prxima" est la carga de la fuente, menos frecuentes y menos graves sern las bajadas de tensin.

La duracin de la bajada de tensin depende del tiempo que tardan los circuitos de proteccin en detectar y aislar unfallo, tiempo que normalmente es del orden de unas pocas dcimas de segundo. Cuando los fallos son transitorios, porejemplo los que se producen cuando la rama de un rbol cae sobre una lnea area desnuda, pueden resolverse muyrpidamente. Si el circuito queda desconectado permanentemente por los equipos de proteccin, todos los usuariosconectados a dicho circuito sufrirn un apagn hasta que la lnea se haya verificado y vuelto a conectar. Los interrup-tores de reconexin automtica pueden facilitar la situacin, pero tambin pueden provocar un aumento en el nmerode bajadas de tensin. Un interruptor de reconexin automtica intentar volver a conectar el circuito en un tiempomuy corto (inferior a 1 segundo) desde el momento del disparo del equipo de proteccin.

Si el defecto ya ha sido eliminado, la reconexin automtica se llevar a cabo con xito y quedar restaurado el sumi-nistro de energa. Las cargas del circuito afectado experimentarn una prdida de tensin del 100% entre la descone-xin y la reconexin automtica, mientras que otras cargas experimentarn bajadas de tensin menores y de menosduracin entre el momento de producirse el fallo y su aislamiento, como se ha comentado anteriormente.

Si el fallo no se ha eliminado, cuando el disyuntor de reconexin automtica restablece la conexin, el equipo de pro-teccin vuelve a actuar de nuevo. El proceso puede repetirse de acuerdo con el programa que se haya establecido paraaquel particular disyuntor de reconexin automtico. Cada vez que el disyuntor vuelve a conectar la lnea de la que nose ha eliminado el defecto, se produce otra prdida de tensin, de manera que otros usuarios pueden sufrir una seriede bajadas de tensin consecutivas.

En algunos pases, una parte de la evaluacin de la calidad del suministro de la energa de los mercados no regulados, secuantifica considerando la media de los "minutos perdidos por el usuario", tomando los cortes de suministro cuya duracinexcede de un minuto. El propsito de optimizar esta estadstica ha conducido a la utilizacin generalizada de los interrup-tores de reconexin automtica y a un incremento de la probabilidad de que se produzcan cortas y repetidas bajadas de ten-sin. En otras palabras, se ha conseguido la mxima disponibilidad a largo plazo pero a expensas de la calidad del servicio.

Sensibilidad de los equiposEn la actualidad, los ordenadores son esenciales en todas las empresas, como estaciones de trabajo, servidores de redo como controladores de procesos. Son vitales para todas las operaciones de proceso de datos y para muchas funcionesde comunicaciones, tales como los sistemas de correo electrnico y de buzn de voz. Fue la introduccin de los equiposinformticos la que primero puso de manifiesto el problema de las bajadas de tensin y, de hecho, la mayora de los

Introduccin

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Figura 3 - Curva ITIC

Figura 4 - Curva ANSI

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Tiempo (segundos)

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Figura 2 - Curva CBEMA

Introduccin

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problemas de calidad de la energa. Las primitivas instalaciones sufrieron un aluvin de fallos aparentemente aleato-rios que requeran un esfuerzo considerable de mantenimiento. La experiencia dio como resultado la publicacin de lacurva de la Asociacin de Fabricantes de Equipos Informticos y Empresariales (Computer and Business EquipmentManufacturers Association - CBEMA), (figura 2). Desde entonces esta curva se ha modificado y actualmente se laconoce como curva del Consejo Tecnolgico de Industrias Informticas (Information Technology Industry Council -ITIC), (figura 3), una versin de la cual ha sido estandarizada por ANSI como norma IEEE 446 (figura 4).

Las curvas se basan en la representacin de la duracin de un incidente y su tensin en porcentaje de la tensin nomi-nal de alimentacin; y definen el margen dentro del cual el equipo podr seguir funcionando sin interrupciones ni pr-didas de datos. Por lo que respecta a las bajadas de tensin lo que interesa es la curva inferior. Esta lnea representa lafrontera entre las cadas de tensin que permiten la supervivencia del sistema y las que no.

En un mundo ideal habra slo una curva, que representara el comportamiento real de la red de suministro, a la cualse ajustaran todos los equipos. En la realidad, aunque la mayora de los equipos cumplen los requisitos de una u otrade las curvas estndar, el comportamiento de la red de suministro por lo que se refiere a los fallos es insuficiente.

Caractersticas de la sensibilidad de los equipos

Las fuentes de alimentacin de los equipos electrnicos, tales como las utilizadas en los ordenadores personales (PC)o en los controladores de lgica programable (PLC) utilizan un condensador de acumulacin para suavizar los picos delos rectificadores de onda completa, de modo que, por su propia naturaleza, deberan ser resistentes a las variacionesde tensin de corta duracin. Cuanto mayor sea la capacidad del condensador, y mayor la diferencia entre la energaalmacenada en el condensador y el mnimo requerido para el funcionamiento de los convertidores de tensin internos,mejor ser su adaptabilidad. Los diseadores siempre intentarn reducir el tamao del condensador para optimizartamao, peso y coste, al tiempo que aseguran que la energa almacenada es la adecuada a la tensin mnima y cargamxima requeridas. Para proporcionar una buena adaptabilidad a las bajadas de tensin se necesitar un condensadormucho mayor, por lo menos el doble de grande, si se pretende que el equipo funcione durante un ciclo completo (0,02s), y 100 veces mayor si se desea que el equipo contine funcionando durante un segundo.

Una estrategia de diseo alternativa sera mantener la tensin de entrada mnima tan baja como sea posible para au-mentar al mximo el tiempo de duracin de funcionamiento del sistema. Esta solucin es la adoptada, por defecto, enlos equipos diseados para funcionar con una amplia gama de tensiones. El tiempo de persistencia ser mucho mayorcon una alimentacin de 230 V de lo que sera con una alimentacin de 110 V. No hay problemas tcnicos que impidanfabricar una fuente de alimentacin resistente a las bajadas de tensin, pero esto no se hace porque no es un tema quelos usuarios demanden de los fabricantes y tendra implicaciones en los costes. No obstante, el coste de hacer un PC oPLC resistente a las bajadas de tensin de 1 segundo es muy pequeo comparado con el coste de mejorar los elemen-tos de la red para evitar que se produzca dicha bajada de tensin.

Los reguladores de velocidad de los motores pueden sufrir graves daos a causa de las bajadas de tensin por lo quenormalmente estn equipados con detectores de bajadas de tensin, que se activan cuando la tensin cae entre un 15%a un 30% por debajo de la nominal. Los reguladores de velocidad variable con capacidad de adaptacin mejorada sonel tema de una seccin posterior de esta Gua.

La inercia de los motores de induccin contribuye a soportar la carga durante una bajada de tensin de corta duracin,entregando energa a costa de su velocidad de rotacin. Esta energa deber ser restituida cuando se restablezca la nor-malidad del suministro y el motor vuelva a acelerar hasta alcanzar su velocidad de rgimen. Si la velocidad del motorse ha reducido a menos del 95%, se requerir de nuevo la circulacin de casi toda la corriente de arranque. Pueden pre-sentarse problemas adicionales de bajadas de tensin debido a que todos los motores de la instalacin intentarn "arran-car" a la vez en el momento de reanudacin del suministro.

Los rels y contactores son tambin muy sensibles a las cadas de tensin y con frecuencia son el eslabn ms dbildel sistema. Se ha comprobado que un dispositivo puede desactivarse durante una bajada de tensin incluso cuandola tensin residual sea superior a la mnima tensin requerida para el funcionamiento en rgimen normal. La adap-tabilidad de un contactor a las bajadas de tensin no slo depende de la tensin residual y de la duracin, sino tam-bin del punto de la forma de onda en que se produzca la bajada de tensin, siendo menor el efecto en el pico de laonda.

Las lmparas de descarga de sodio tienen una tensin de formacin del arco mucho mayor cuando estn calientes quecuando estn fras, de tal manera que una lmpara caliente puede no volver a activarse despus de una bajada de ten-sin. La magnitud de una bajada de tensin que provoque que una lmpara se apague puede ser tan pequea como del2% al final de su vida til o tan grande como del 45% cuando la lmpara es nueva.

Introduccin

5

La mayora de los aparatos y sistemas elctricos incorporan uno o ms de los elementos citados anteriormente, y portanto estarn sometidos a los problemas indicados cuando sufran bajadas de tensin. La figura 5 sugiere que es mseconmico y ms fiable disear los equipos para que sean capaces de soportar las bajadas de tensin, que intentar quesea todo el proceso, toda la planta, o todo el sistema de distribucin quienes se adapten a ellas. Como se indica aqu, elcoste de la solucin crece rpidamente cuando el punto de curacin se desplaza desde el equipo, a travs de la planta,hasta llegar a la infraestructura.

Caractersticas de las bajadas de tensin en el suministroComo se ha indicado anteriormente, la probabilidad de que se produzcan bajadas de tensin, y su magnitud previsi-ble, depende de la topologa de la red en las proximidades del emplazamiento en cuestin. En algunos pases se hanefectuado algunos estudios limitados a zonas relativamente pequeas, pero puede afirmarse con certeza que todavano existen estadsticas fiables de bajadas de tensin para localizaciones concretas. Esto dificulta la seleccin de un em-plazamiento para una instalacin de funcionamiento crtico. Evidentemente un emplazamiento prximo a una estacingeneradora, o dos, y conectado en media tensin por medio de un cable subterrneo ser una opcin ms segura que un

Figure 6 - Curva caracterstica de una bajada de tensin en la red y curva ITIC

Sensitive Process Machine

4-Soluciones enla red

Incremento de coste

3- Proteccinglobal de lainstalacin

El coste ms reducido se obtienedesarrollando el punto 1 a nivel de diseo

2- Controles deproteccin

Especificacionesde los equipos

1

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Fuente de

alimentacin

Conjunto de

maquinaria

Controles

Motores4

OtherLoads OtherLoads

Figura 5 - Coste de la mejora en la tolerancia a las bajadas de tensin

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Caracterstica de la bajada de tensin

curva ITIC

Tolerancia requerida

Introduccin

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emplazamiento alejado con una larga conexin a travs de un tendido areo expuesto a distintas agresiones, pero has-ta que punto?. Es sencillo juzgar, por ejemplo, la calidad de los enlaces de transporte, y este factor se suele citar comorazn para seleccionar una determinada ubicacin para una industria, pero es bastante ms difcil juzgar la calidad dela infraestructura elctrica.

Los emplazamientos situados fuera de las zonas urbanas presentan problemas especiales ya que no existen otras ins-talaciones que puedan servir de referencia. Por otra parte, representan una oportunidad para empezar desde el princi-pio con una infraestructura adecuada, siempre y cuando la compaa suministradora local est dispuesta y puedaproporcionarla Con su dinero!.

Los estudios realizados muestran que la duracin de la bajadas de tensin en la red de suministro es bastante mayorde lo que sugieren las curvas de tolerancia de los equipos de los que hemos hablado anteriormente. La figura 6 mues-tra la duracin y magnitud probable de las bajadas de tensin de una red de suministro tpica. Tambin se traza la cur-va ITIC a ttulo de comparacin.

Esta figura muestra claramente que, en el mundo real, los equipos informticos necesitan ser unas 100 veces mejoresque lo indicado por la curva ITIC, como muestra la curva "tolerancia requerida". Probablemente sea correcto afirmarque ningn equipo de serie satisface este requisito.

Resolucin del problemaEst claro que, en un mbito empresarial, el equipo empleado debe estar adaptado a los defectos normales caracters-ticos de la red de suministro elctrico, y ste no es el caso de los equipos de catlogo. Como se muestra en la figura 5,el coste de la adaptacin es mucho menor si las acciones correctivas se llevan a cabo en la fase de diseo de los equipos,pero esto requiere conocer previamente la naturaleza de los defectos y la probabilidad de que se produzcan. Esteconocimiento es el que falta. Esta es, sin embargo, la manera ms eficaz de ajustar los costes.

Algunos fabricantes de equipos ya estn empezando a reconocer el problema pero la competitividad del mercado haceque slo respondan a las exigencias de los clientes. Hasta que los usuarios entiendan los problemas y se den cuenta deque los proveedores de equipos pueden darles una solucin, no exigirn estas mejoras en su rendimiento. La excepcines el mercado de los reguladores de velocidad variable en el que los fabricantes estn promocionando activamente pro-ductos con mejor capacidad de adaptacin a las bajadas de tensin.

La solucin tradicional consiste en instalar equipos adicionales que mantengan la carga durante las bajadas de tensin.Los tipos de equipos disponibles para ello se detallan en secciones posteriores de esta Gua. En el caso de cargas de ba-ja potencia, tales como equipos informticos, se han utilizado unidades de alimentacin ininterrumpida (SAI o UPS)para dar proteccin contra las bajadas de tensin e interrupciones del suministro de corta duracin. Los dispositivospara almacenar energa estn constituidos normalmente por bateras recargables, por lo que no son adecuados parainterrupciones largas. Generalmente, se mantiene la carga alimentada nicamente el tiempo necesario para llevar acabo una desconexin ordenada, protegiendo as los datos, pero este procedimiento requiere un tiempo de reinicioconsiderable. A veces se utiliza una UPS para proporcionar energa mientras se arranca un generador rotatorio.

Para las bajadas de tensin poco profundas, en las que la tensin residual es considerable, existen varias tecnologas dereguladores automticos de tensin, entre los que se encuentran dispositivos electromecnicos y electromagnticos.Como no es necesario el almacenamiento de energa, estos dispositivos pueden emplearse para eventos de larga du-racin tales como disminuciones y aumentos de tensin. Los reguladores automticos de tensin se tratan en la sec-cin 5.3.1 de esta Gua.

Cuando se trata de grandes cargas y de bajadas de tensin profundas, se utiliza un Restablecedor de Tensin Dinmi-co (DVR - Dinamic Voltage Restored). Este dispositivo se acopla en serie a la carga y genera la parte de la alimentacindesaparecida. Si la tensin cae al 70%, el DVR facilita el 30% que falta. Normalmente los DVR mantienen la ali-mentacin de la carga durante un periodo de tiempo corto y pueden basarse en la utilizacin de grandes bateras deacumuladores, supercondensadores u otras formas de almacenamiento de energa tales como volantes de inercia dealta velocidad. Los DVR no pueden utilizarse para corregir disminuciones o aumentos de tensin de larga duracin.

ConclusinMejorar el rendimiento de la red de suministro elctrico para eliminar las bajadas de tensin resulta muy costoso yprobablemente sea imposible. En casos especiales, en los que la necesidad justifique el gasto, podra disponerse deunas conexiones a la red de suministro elctrico duplicadas que se deriven de partes de la red lo bastante separadascomo para que se puedan considerar independientes.

Introduccin

7

En la mayora de las actividades ser necesario instalar algn tipo de equipo para mitigar el problema de las bajadas detensin. Existe una amplia gama en la que elegir, dependiendo del tipo de carga que deba ser apoyada.

La solucin ms econmica sera que las especificaciones de los equipos incluyeran la necesaria adaptabilidad a las ba-jadas de tensin, pero esta opcin an no est adecuadamente contemplada por lo fabricantes.

Notas

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