CALIDAD DE ENERGIA En Sistemas de

Distribución

Rama Estudiantil AEP – FIE - UNMSM

30 de Enero, 2003

Calidad de Energía

Es el concepto de alimentar y poner a tierra los equipos electrónicos sensibles de manera adecuada para su operación (IEEE P1100, Feb 92)

Esta descripción cubre todas las aplicaciones de protección y acondicionamiento de energía. Las soluciones ofrecidas incluyen: puesta a tierra, supresores de voltajes transientes (TVSS), filtros y reguladores de tensión, transferencias automáticas, equipos de aislamiento, UPS, etc.

Los hechos

Hay un interés creciente en la Calidad de la EnergíaLa micro-miniaturización de componentes ha dado como resultado un incremento en la sensibilidad del equipo.Más de 60% de la carga total de las empresas distribuidoras de energía es no-lineal.Se ha expandido el uso de equipo generador de perturbaciones.

Las perturbaciones de energía tienen un impacto negativo en el uso del equipo y la productividad.

Las compañías de manufactura, comercio y servicios de Norte América pierden anualmente US$ 26,000 y US$ 13,000 millones, respectivamente, por tiempo perdido y gastos debidos a perturbaciones del sistema.

Crecimiento en la electrónica = Demanda por Calidad de Energía

Los hechos

Perturbaciones

Interrupción

Desviación de frecuencia

Desbalance

Flicker

Distorsión armónica

Notch

Impulso (Transiente - Pico - Surge – Spike)

Swell

Sobrevoltaje

Sag (Dip)

Baja Tensión

Ruido

Alteración de la onda sinusoidal de tensión

InterrupciónInterrupciónPérdida completa de voltaje por un período determinado (IEEE P1100, Feb 92)

Sostenida – si dura más de un minuto.

Temporal – entre 3 segundos y un minuto

Debido a fallas en el sistema de generación, transmisión o distribución externa e interna

Perturbaciones

Perturbaciones

Desviación de FrecuenciaDesviación de FrecuenciaAumento o disminución de la frecuencia de línea, con duración desde algunos ciclos hasta varias horas

Afecta la velocidad de los motores, especialmente síncronos y equipos que usan la frecuencia como referencia. (Relojes)

Debido a la variación de velocidad de los generadores. Usualmente presente en sistemas chicos, especialmente con un solo generador.

DesbalanceDesbalance

Diferencia de tensión entre las tres fases de un sistema

Usualmente causado por cargas monofásicas conectadas en forma desigual.

Puede causar recalentamiento peligroso en motores

Perturbaciones

Perturbaciones

Flicker Flicker Variación de la tensión en magnitud y duración que permite la observación visual del cambio de iluminación.

La molestia depende del cambio de iluminación y de la frecuencia con que se presenta.

Debido a la conexión y desconexión de cargas o fluctuación rápida de las mismas. (Soldadura, arranque de motores, hornos de arco)

Cuando es interno puede corregirse o minimizarse con un diseño adecuado de la instalación.

Flicker

Perturbaciones

Distorsión ArmónicaDistorsión Armónica

Representación matemática de la deformación de la forma de onda sinusoidal.

Causada por cargas no-lineales, usualmente equipos electrónicos.

Impulso - Transiente – Pico - Surge - Spike Impulso - Transiente – Pico - Surge - Spike Un rápido incremento de voltaje y corriente de corta duración (microsegundos) y alta energía.Pueden destruir o dañar equipos electrónicos o perforar el aislamientoPueden ser causados por rayos o por la operación del sistema eléctrico, conexión o desconexión de cargas.

Perturbaciones

Perturbación

Swell Swell Un “incremento” en el voltaje efectivo a la frecuencia normal de la red por una duración desde medio ciclo a un minuto.

Debido usualmente a la desconexión de grandes cargas (e.g. grandes motores) o fallas en el suministro de energía. Perceptible como un aumento de luminosidad en luminarias

SobretensiónSobretensión

Transitorio ascendente mantenido; con una duración de más de un minuto.

Perceptible en sistemas de iluminación y debido a la desconexión de grandes cargas y fallas en el suministro de energía.

Perturbaciones

Sag o Dip Sag o Dip

Un “descenso” en el voltaje efectivo a la frecuencia normal de la red por una duración desde medio ciclo hasta pocos segundos.

Debido usualmente a la conexión de grandes cargas (e.g. soldadoras, grandes motores) o fallas en el suministro de energía. Perceptible como un oscurecimiento de las luminarias.

Perturbaciones

Baja TensiónBaja Tensión

Transitorio descendente mantenido; con una duración de más un minuto.

Perceptible en sistemas de iluminación.

Debido al arranque de grandes cargas, fallas en el suministro de energía y sistema de alambrado deficiente.

Perturbaciones

Perturbaciones

Notch

Un disturbio de polaridad opuesta, sustractiva, que dura menos de medio ciclo, debido a la usualmente a la conmutación de fases en las fuentes electrónicas

Ruido (EMI / RFI)Ruido (EMI / RFI)Cualquier señal eléctrica no deseada repetitiva de alta frecuencia que produce efectos perjudiciales en los circuitos y equipo sensitivo. También descrito por IEEE como disturbios de menos de 2 x voltaje pico.

Creados por motores, generador, variadores de frecuencia y otros equipos electrónicos.

Perturbaciones

Frecuencia de perturbaciones

0

10

20

30

40

50

60

70

Por año

Ruido 49 %

Impulso 39.5 %

Sobre - Sub tensión11 %Interrupción 0.5 %

No hay un dispositivo de protección único que pueda resolver todos los problemas de calidad de energía.La factibilidad y el costo determinan qué tipo de tecnología de protección será implementada.La Pirámide de calidad de energía constituye un marco de referencia para implementar soluciones efectivas y viables para la protección del sistema.

Manejo efectivo de la calidad de energía: Factores que deben tomarse en cuenta

Pirámide de calidad de energía

Para lograr el mejor resultado por inversión, se debe empezar por la base de la pirámide e ir escalando cada piso.Sin una buena puesta a tierra los otros equipos no trabajarán óptimamente

Pirámide de la Calidad de Energía

Usualmente los dos niveles mas bajos se consideran desde el diseño inicial y aplicables a toda la instalación.Los niveles superiores se aplican selectivamente dependiendo de las cargas y las condiciones reales de servicio.Conforme se asciende aumentan los costos por KVA.

Control de la Calidad de Energía

La calidad de energía depende de la fuente de suministro y del sistema de distribución.La Norma Técnica de Calidad de los Servicios Eléctricos regula la calidad del suministro, y sanciona las infracciones.Un sistema de distribución correctamente diseñado y construido es indispensable para tener una calidad de energía satisfactoria.

Diseño del sistema

Una red de distribución correctamente diseñada evitará los problemas internos de desbalance, sag y flicker, reduce la distorción armónica.Un adecuado sistema de puesta a tierra minimiza los ruidos y los impulsos.Un adecuado diseño y protección reduce las interrupciones.

Diseño del sistema

La alimentación de energía a sistemas electrónicos requiere la fijación del neutro conectado a tierra como voltaje de referencia.

Es indispensable un correcto dimensionamiento y seguimiento del neutro y de las puestas a tierra.

Medición

“Si no se puede medir, no se conoce”

La medición puede ser:Instantánea

Acumulativa

Registros máximos y mínimos

Registro “continuo”

Captura Selectiva

Osciloscopio

Dranetz

Control de interrupcionesEs necesario evaluar el costo de la pérdida de energía versus el costo de la solución.Es necesario tener una referencia de la frecuencia y duración de las interrupciones.Opciones :

Grupo electrógeno + Transferencia manual – ½ horaGrupo electrógeno + Transferencia automática – 8 a 60 segundosUPS – Instantáneo – Duración 15 a 30 minutosSRT – Instantáneo – Mininterrupciones hasta 3 ciclos

Control de nivel de tensiónEstabilizadores de tensiónUPSSRTDimensionamiento y selección (Estabilizadores, UPS y Grupos Electrógenos)

PotenciaVelocidad de respuestaLímites de regulaciónComportamiento con cargas No-Lineales. Generación de armónicosOnda de salida

Curva ITIC CBEMA

ArmónicosLimites de Intensidad – IEEE 519

Control de armónicos

La magnitud de la distorsión depende del sistema de distribución y de la carga no-lineal.La distorsión armónica no necesariamente causa problemas.Un buen sistema de alimentación y distribución puede ser la solución más económica.Selección de equipos que no generen armónicosTransformadores con factor K

Control de armónicos

Reactancia de entrada o transformador antes del equipo no-lineal

Transformador Delta-Estrella (elimina armónicos múltiplos de tres)

Reducción de condensadores

Filtros pasivos

Filtros activos

Carga inicial – Sin Condensadores

Carga Final – Todos los condensadores

Descargas atmosféricas (Rayos)Cuando cae un rayo la mayor parte de su energía se va a tierra o es derivada por los pararrayos.El IEEE recomienda una onda de 20 kV 10 kA como representación de una sobretensión de origen atmosférico en redes de B.T.

Origen de Transientes

80% de las transientes se generan internamente

Origen de Transientes

Cierre de interruptor en un subtablero de una planta (transiente en una onda senoidal de 120V )

Fuentes internas de transientes: Conexión/desconexión de motores Equipo electrónico pesado (Equipos médicos, Rayos X, Copiadoras) Apertura/cierre de interruptores Energización de transformadores Variadores de frecuencia y

arrancadores de estado sólido Reguladores de intensidad luminosa Soldadoras de arco Chispas o arcos eléctricos

Daños por transientes

Impulso 4x

Normal

Impulso 2x

Normal

Ruido2x

Normal

Impacto en cargas electrónicas

Falla de circuito electrónico Sí Sí

Errores de transmisión de datos Sí Sí Sí

Error de memoria Sí Sí Sí

Daño a disco duro Sí Sí

Interrupción del proceso Sí Sí Sí

Falla de fuente de alimentación SÍ Sí Sí

Reinicio de programa Sí Sí Sí Sí

Interrupción

¿Por qué usar protección de transientes?

Equipos electrónicos que pueden ser dañados: Computadoras y equipo de control de procesos telecomunicaciones equipo médico variadores de frecuencia otros dispositivos electrónicos

la falla puede ser inmediata (i.e. por descargas atmosféricas) la falla puede ser gradual (degradación de componentes de

estado sólido) problemas de operación o fallas inexplicables

Costo de tiempo de paro o falla del equipo > costo de supresor

Supresor de Transientes TVSS

Equipos que se colocan en paralelo con la red, que derivan la energía de la transiente, usualmente con MOVsReaccionan más rápido que la transiente (nanosegundos)Se especifican por la máxima intensidad que pueden derivar segun normas, las cuales determinan la tensión residual.

Plan de protección de “Dos Etapas”

Recomendaciones de IEEE (Libro Esmeralda):

“…Para grandes transientes de corriente, la desviación (de transientes) se efectúa mejor en dos etapas: la primera desviación debe realizarse en la acometida del edificio. Luego, cualquier voltaje residual de la acción (del dispositivo de supresión) puede desviarse con un segundo dispositivo de protección en el tablero de distribución del cuarto de cómputo (u otra carga crítica - i.e. rectificadores)…”

Parámetros de examen del sistema:Onda de entrada: Sobretensión de 20 kV; 10 kA según IEEE C62.41 Categoría C3Procedimiento de prueba: IEEE C62.45

Industria

CargaElectrónica

Protección etapa 1:Acometida principal

Protección etapa 2 :tablero secundario

Entradade

transiente causada

por descarga

Atmosférica u operación del sistema

TVSS

480:120/208

TVSS

25 uS 50 uS0

1200V

20,000V

TIEMPO (MICROSEGUNDOS)

TRANSIENTE DE ENTRADA:Impulso de 10 kA, 20 kV, IEEE categoría C3

Etapa 1: supresor paralelo (voltajes remanentes de 1000 a 1600 Voltios).

VO

LT

AJ

E R

EM

AN

EN

TE

Etapa 2: salida de segundaetapa de filtrado: < 100 V

Plan de protección de “Dos Etapas”

Protector de TransientesFiltro híbrido

Combinan dos etapas de TVSS y un filtro inductor-condensador

Se especifican por la intensidad de operación normal y sistema de tensión

Diseño de Filtro Híbrido

Solución para residencias

Nuevo Clipper Home Surge Protector (CHSP)

Protección completa (3 tipos)- Sistema de CA- Una línea de cable coaxial- Dos líneas telefónicas

Versión con protección de CA sólamentepara sistemas 120/240 V

DATACOM

Líneas telefónicas (1, 4 y 25 pares)

Señal 4-20 mA

Líneas de datos

Señal RS232

Cables Coaxiales

Conectores BNC, RJ-11, RJ-31

Referencias

IEEE Std 1100-1999IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Electronic Equipment

IEEE Std 519-1992IEEE Recommended Practice and requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems

IEEE Std 142-1991 IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power System

Muchas Gracias