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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE SINALOA
PROGRAMA ACADÉMICO DE INGENIERÍA EN ENERGÍA
CALIDAD DE ENERGÍA Y MANTENIMIENTO A
SUBESTACIONES ELÉCTRICAS
AUTOR: RODRIGO FERNANDO MORELOS SILVA
Tesina presentada como requisito parcial para optar al título de:
Licenciado en Ingeniería en Energía
Asesores:
Dr. José Rigoberto Raygoza Viera
Ing. Juan Carlos Lopez Lachica
Dr. Néstor Daniel Galán Hernández
Mazatlán, Sinaloa a diciembre del 2015.
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CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
MORELOS SILVA RODRIGO FERNANDO
DICTAMEN DE APROBACION
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CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
MORELOS SILVA RODRIGO FERNANDO
DEDICATORIA
“A las personas que piensan que la diversión y el estudio no puede coexistir”
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CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
MORELOS SILVA RODRIGO FERNANDO
Resumen
En el siguiente documento se presenta el procedimiento y análisis sobre cómo se
debe realizar un mantenimiento correctivo a subestaciones eléctricas. Como
introducción se presenta información sobre transformadores, que componentes los
conforman, como funcionan y los diferentes tipos que existen en el mercado. Se
especifican los pasos a seguir durante el proceso, además de cómo deben
realizarse y cuál es el equipo adecuado para este. Así mismo se presentan las
diferentes pruebas que deben ser realizadas de acuerdo al protocolo de
subestaciones eléctricas, basado en la normativa de CFE. Entre las diferentes
pruebas que se detallaran se encuentran; prueba de rigidez dieléctrica del aceite,
de relación de transformación y de resistencia de aislamiento. Además se pretende
que este documento sea una guía para que el lector pueda realizar un
mantenimiento completo, desde observaciones hasta las posibles soluciones de
cada una de ellas.
Otro punto importante de este documento es, calidad de energía, donde se
especifica que es, por que es importante, como se mide, la problemática y sus
soluciones. Además se encuentran temas como; factor de potencia, el factor de
distorsión (THC – Total Harmonic Distortion), bancos de capacitores, entre otros.
También se describen los puntos de gran importancia de seguridad y protección, los
cuales son de gran ayuda a la hora de trabajar para evitar accidentes que puedan
ser fatales para cualquier persona. Por último se encuentran las Tarifas de CFE, se
mencionan cada una de ellas, su clasificación, como están divididas dentro del país,
así como la facturación y las tarifas horarias.
Palabras clave
Subestación eléctrica
Calidad de energía
Transformador
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CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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Abstract
This document displays the analysis and process about how to do a corrective
maintenance to electric substations. As an introduction it presents information about
transformers, which components it has, how it works and the different types that exist
in the market. It specify the steps to follow during the process of the maintenance,
moreover about how must be do it and which is the necessary equipment.
Furthermore it presents the different types of tests that must be do it in base to the
CFE protocol of electric substations. The different test are; rigidity of dielectric oil,
transformation relation and isolation resistance. This document is pretended to be a
guide for readers, in which case they can do a complete maintenance, from
observations till solutions of all.
Another important point in this text is energy quality, what is, why is important, how
it’s measure, the problems and solutions. Also it has topics as; potency factor,
distortion factor (THC – Total Harmonic Distortion), capacitors set, and others. Also
it describes the topics of security and protection, which are very helpful at the time
of work to avoid fatal accidents for people. Finally it describes the CFE rates, the
classification and how are divided around the country, the billing and the hour rates.
Key words
Electric substation
Energy quality
Transformer
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CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
MORELOS SILVA RODRIGO FERNANDO
Índice
Contenido temático
Dictamen de aprobación
Dedicatoria
Resumen
Palabras clave
Abstract
Key words
Lista de figuras
Lista de tablas
Introducción
Capítulo 1: Marco contextual
1.1Descripción de la empresa
1.2 Misión
1.3 Visión
1.4 Organigrama
1.5 Descripción de departamento
1.6 Actividades
1.7 Planteamiento del problema
1.8 Objetivo general
1.9 Objetivos específicos
Capítulo 2: Marco teórico
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2.2 Calidad de la energía
2.3 Conceptos básicos de calidad de energía
2.4 Problemas de calidad de energía
2.5 Armónicos
2.6 Interarmónicos
2.7 Muescas de tensión (notching)
2.8 Ruido
2.9 Fluctuaciones de tensión
2.10 Sobre-voltaje
2.11 Bajo-voltaje
2.12 Depresiones
2.13 Interrupciones
2.14 Estudio de calidad de energía
2.14.1 Objetivo
2.14.2 Análisis de calidad de energía
2.15 Factor de potencia
2.15.1 ¿Qué es el factor de potencia?
2.15.2 ¿Qué es potencia?
2.15.3 Triangulo de potencias
2.15.4 Porque existe bajo factor de potencia
2.16 Protección y seguridad
2.16.1 Puesta a tierra
2.16.1 Supresores
2.17 Transformadores
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2.17.1 Componentes de los transformadores eléctricos
2.18.1 Esquema básico y funcionamiento del transformador
Capítulo 3: Metodología
3.1 Calidad de la energía
3.2 Mantenimiento de subestaciones eléctricas
Capítulo 4: Resultados y discusiones
4.1 Reporte de calidad de energía
4.2 Reporte de mantenimiento de subestaciones eléctricas
Capítulo 5: Conclusiones y propuestas
5.1 Observaciones y recomendaciones calidad de energía
5.2 Observaciones y recomendaciones
Bibliografía
Lista de figuras
Figure 1. Organigrama Maz electricidad.
Figure 2. Armónicos sinusoidales.
Figure 3. Voltake flicker producido por interarmonicas.
Figure 4. Muesca de tensión.
Figure 5. Ruido eléctrico.
Figure 6. Fluctuaciones de tensión.
Figure 7. Sobre-voltaje.
Figure 8. Depresión de tensión.
Figure 9. Interrupción local e interrupción del suministrador.
Figure 10. Triangulo de potencias.
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Figure 11. Formula FP.
Figure 12. Puesta a tierra.
Figure 13. Componentes básicos de un transformador.
Figure 14. Esquema básico del funcionamiento básico de un transformador.
Figure 15. Equipo analizador; Fluke 1735 Three-Phase Power Logger.
Figura 16. Equipo prueba relación de transformación; Megger TTR20 Hand-Held
Transformer Turns Ratio Tester.
Figura 17. Equipo prueba resistencia de aislamiento; Megger S1-552/2 5 kV high
current insulation resistance tester.
Figura 18. Equipo prueba rigidez dieléctrica del aceite; Megger OTS60SX.
Figura 19. Equipo prueba de tierras; MEGGER DET24C.
Lista de tablas
Tabla 1. Calculo de KVAR A DISTINTOS F. P. SUBESTACION 1500 KVA.
Tabla 2. Evaluación bancos de capacitores.
Tabla 3. Índice de absorción e índice de polarización.
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Introducción
La energía eléctrica representa el principal insumo que mueve al mundo industrial;
sin ella, nuestras empresas se detendrían y las economías enteras entrarían en
crisis. Por eso es vital saber administrarla.
Aproximadamente el 55% de la energía eléctrica producida es consumida por los
sectores comercial e industrial. Por lo tanto el buen uso de la energía eléctrica le
permite, a su empresa, ser cada vez más competitiva, en una economía que tiende
a la globalización, así el ahorro de energía es una alternativa viable para reducir
costos de operación y mejorar los niveles de competitividad dentro del mundo
industrial. La calidad de la energía eléctrica puede definirse como una ausencia de
interrupciones, sobre tensiones y deformaciones producidas por armónicas en la
red y variaciones de voltaje RMS suministrado al usuario; esto referido a la
estabilidad del voltaje, la frecuencia y la continuidad del servicio eléctrico. Asimismo
se ha determinado que uno de los problemas más comunes que ocasiona el
desperdicio de energía eléctrica en las empresas es la calidad de esta, pues influye
en la eficiencia de los equipos eléctricos que la usan.
Actualmente, la calidad de la energía es el resultado de una atención continua; en
años recientes esta atención ha sido de mayor importancia debido al incremento del
número de cargas sensibles en los sistemas de distribución, las cuales por sí solas,
resultan ser una causa de la degradación en la calidad de la energía eléctrica.
Este documento da una introducción a los fenómenos de la calidad de la energía
eléctrica, como identificarlos, como deben de tratarse y que resultados pueden
obtenerse.
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Capítulo 1: Marco contextual
1.1 Descripción de la empresa
Maz electricidad, o Electrifica, es una empresa dedicada a la elaboración de
proyectos eléctricos en la ciudad de Mazatlán Sinaloa. Fue fundada en 1995, y
actualmente se encuentra sobre Avenida Manuel J. Clouthier, #4204, en Lomas de
San Jorge.
La empresa se especializa en redes eléctricas de media y baja tensión,
subestaciones eléctricas, alumbrado público, uso eficiente de la energía, y desde
2014 en proyectos de instalación fotovoltaica.
Con respecto a la realización de redes eléctricas, Electrifica realiza desde la
elaboración del proyecto eléctrico, la instalación de la obra eléctrica, hasta los
tramites con CFE para colocar estas obras.
En lo que respecta a subestaciones, realizan de la misma manera los trabajos de
elaboración técnica del proyecto, la instalación de las subestaciones, y realiza los
trámites para la aprobación del proyecto por CFE; además de contar con un taller
de transformadores donde se realizan pruebas al transformador, revisión de tierras,
estructuras, aisladores eléctricos, cortacircuitos, fusibles y equipos de medición, es
decir, las condiciones generales del trasformador; y de esta manera, realiza reportes
sobre las condiciones de la subestación y ofrece el mantenimiento en caso de ser
requerida.
Los proyectos de alumbrado público se hacen a petición de inmobiliarias y a través
de la junta del H. Ayuntamiento de Mazatlán se realizan trámites para su proyectado
y construcción de dichos proyectos. Todas estas obras son realizadas siguiendo la
NOM-001-SEDE 2005 para instalaciones eléctricas.
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En el ahorro de energía, se realizan actividades de corrección de factor de potencia,
inspecciones termográficas, análisis de sistemas de tierras, análisis de armónicas,
suspensores de transitorios y restauradores eléctricos.
A pesar de ser relativamente nuevos en la gestión de proyectos renovables,
Electrifica cuenta con un programa llamado Electrifica Solar, en el cual se realizan
proyectos de instalación de paneles fotovoltaicos, ya sean aislados o conectados a
red. Este programa se encuentra en crecimiento en la empresa.
Entre algunos de los clientes de Electrifica se encuentran, el gobierno del estado, el
ayuntamiento de Mazatlán, Mazatlán International Center, Café el Marino, IMSS,
Casas Coci, entre otros, lo cual demuestra la calidad en sus proyectos e
instalaciones.
1.2 Misión
Realizar proyectos e instalación de obra eléctrica en redes de baja y media tensión.,
incursionar en el mercado de generación de energía con la elaboración de proyectos
de energía fotovoltaica, y en el mercado de calidad de energía.
1.3 Visión
Ser la empresa líder en el Estado de Sinaloa y trascender a nivel nacional en el
mercado como proveedores de energía limpia ideando estrategias y soluciones
que contribuya a la mejora de la calidad de vida con nuevos métodos y tecnología
de manera sustentable.
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1.4 Organigrama
Figure 1. Organigrama Maz Electricidad
1.5 Descripción de departamento
El departamento tiene por nombre “Calidad de energía y Mantenimiento” el cual
se encarga de resolver problemas en el área de baja y media tensión. Entre las
principales tareas de este departamento, se encuentran; el trabajo con armónicas
(THD – Total Harmonic Distortion), bancos de capacitores, supresores de picos de
tensión y corriente y el mantenimiento a subestaciones eléctricas. Este
departamento también trabaja con auxiliares, como son tierras físicas, centros de
carga, entre otros. En otras palabras se encarga de trabajar los fenómenos, causas
y consecuencias de la energía eléctrica, así como de los equipos de generación y
transformación de energía.
ING. GILDARDO ALAN
CAMACHO GASTELUM
RESPONSABLE DE OBRA
ELECTRICISTAS
AYUDANTES
LIC. DULCE GPE. ESPINOZA
GARATE
CONTADOR
LIC. ROSA ESTHER
PLASCENCIA ZAMUDIO
ING. JUAN LUIS GARCIA
TAPIA
JEFE DE PROYECTOS
SECRETARIA
ELECTRICISTAS
AYUDANTES
ALBAÑILES
AYUDANTES
RESPONSABLE DE OBRA RESPONSABLE DE OBRA
ING. RAMON GREGORIO
CHAVEZ PAEZ
JEFE DE INGENIERIA
ING. ROSENDO LOPEZ
LACHICAGERENTE DE PROYECTOS
ING. JUAN CARLOS LOPEZ
LACHICA
GERENTE COMERCIAL
ING. WALTER ALFREDO
CAMACHO GASTELUM
ING. PAUL ALONSO LEVA
RENDON
SR. ROSENDO LOPEZ ROCHA
DIRECTOR GENERAL
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1.6 Actividades
1. Familiarización con procesos de la empresa.
2. Realización de pruebas en subestaciones eléctricas.
3. Mantenimiento a subestaciones eléctricas.
4. Uso del equipo de medición y programa Power Log para la obtención de
datos (Tensión, Corriente, FP, THC, Resistencia, entre otros) de
subestaciones eléctricas y centros de carga.
5. Uso del programa y el equipo Smart View Fluke para el manejo de imágenes
termografías en subestaciones eléctricas.
6. Uso del equipo de medición TTR MEGGER para las pruebas de relación de
transformación en subestaciones eléctricas.
7. Uso del equipo Insulation Tester MEGGER para las pruebas de resistencia
de aislamiento en subestaciones eléctricas.
8. Uso del equipo ASTM D1816 MEGGER para las pruebas de rigidez
dieléctrica del aceite de transformadores.
9. Secado de transformadores mediante un horno para remover la humedad.
10. Llenado de aceite dieléctrico a transformadores.
11. Pintado y rotulado a transformadores.
12. Estudios de Calidad de Energía.
13. Elaboración de reportes de Mantenimiento a subestaciones eléctricas
14. Elaboración de reportes de Calidad de energía.
1.7 Planteamiento del problema
La principal causa de daños en los equipos eléctricos y electrónicos es la calidad de
la energía. Podemos decir que existe un problema de calidad de la energía eléctrica
cuando ocurre cualquier desviación de la tensión, la corriente o la frecuencia que
provoque la mala operación de los equipos de uso final y deteriore la economía o el
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bienestar de los usuarios; asimismo cuando ocurre alguna interrupción del flujo de
energía eléctrica. Los efectos asociados a problemas de calidad de la energía son:
Incremento en las pérdidas de energía.
Daños a la producción, a la economía y la competitividad empresarial
Incremento del costo, deterioro de la confiabilidad, de la disponibilidad y del
confort.
1.8 Objetivo general
Realizar mantenimientos a subestaciones eléctricas y estudios de calidad de
energía mediante la utilización de distintos equipos de medición, para obtener el
conocimiento apropiado para su realización.
1.9 Objetivos específicos
Realización de pruebas en subestaciones eléctricas.
Mantenimiento a subestaciones eléctricas.
Uso del equipo de medición y programa Power Log para la obtención de
datos (Tensión, Corriente, FP, THC, Resistencia, entre otros) de
subestaciones eléctricas y centros de carga.
Uso del programa y el equipo Smart View Fluke para el manejo de imágenes
termografías en subestaciones eléctricas.
Uso del equipo de medición TTR MEGGER para las pruebas de relación de
transformación en subestaciones eléctricas.
Uso del equipo Insulation Tester MEGGER para las pruebas de resistencia
de aislamiento en subestaciones eléctricas.
Uso del equipo ASTM D1816 MEGGER para las pruebas de rigidez
dieléctrica del aceite de transformadores.
Secado de transformadores mediante un horno para remover la humedad.
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Llenado de aceite dieléctrico a transformadores.
Pintado y rotulado a transformadores.
Estudios de Calidad de Energía.
Capítulo 2: Marco teórico
2.1 Calidad de energía
La calidad de la energía se entiende cuando la energía eléctrica es suministrada a
los equipos y dispositivos con las características y condiciones adecuadas que les
permita mantener su continuidad sin que se afecte su desempeño ni provoque fallas
a sus componentes. Cuatro parámetros pueden servir como referencia para
clasificar los disturbios de acuerdo a su impacto en la calidad de la energía:
Variaciones de frecuencia que raramente ocurren en sistemas alimentados
por las compañías suministradoras, siendo más común que se encuentren
en sistemas aislados de motor-generador en los que las variaciones de carga
provocan variaciones de frecuencia.
Variaciones de amplitud pueden ocurrir en diferentes formas y rangos de
duración que van desde transitorios de muy corta duración hasta condiciones
de estado estable.
Variaciones en la forma de onda de voltaje o corriente producidas por cargas
no lineales, denominada distorsión armónica, siendo una condición de estado
estable.
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Desbalanceo entre las fases de un sistema polifásico causado principalmente
por la operación de cargas monofásicas desiguales que afectan
principalmente a máquinas rotatorias y circuitos rectificadores trifásicos.
En México se cuenta con la Ley del servicio público de energía eléctrica y su
reglamento 1993, que define las condiciones de suministro de la energía eléctrica,
estableciendo en el capítulo V artículo 18 del suministro y venta de energía eléctrica
que el suministrador de energía eléctrica deberá ofrecer y mantener el servicio en
forma de corriente alterna en una, dos o tres fases, a las tensiones alta, media y
baja disponibles en la zona de que se trate observando que:
La frecuencia sea de 60 Hz, con una tolerancia de 0.8 % en más o menos.
Que las tolerancias en el voltaje de alta, media o baja tensión, no excedan
de 10% en más o en menos y tiendan a reducirse progresivamente. [2]
En la actualidad cada vez es más extendido el uso de equipo electrónico sensible y
continuamente las velocidades de procesamiento se incrementan por lo que es
indispensable que las instalaciones se realicen con apego a las normas, se cuente
con equipos de protección adecuado y se reduzcan los disturbios en el sistema
eléctrico, para lo cual es importante establecer una coordinación entre la compañía
suministradora, los fabricantes de equipos y los usuarios.
2.2 Conceptos básicos de calidad de energía
De acuerdo al libro esmeralda de la IEEE:
Calidad de energía (power quality):
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Es el concepto de alimentación y de puesta a tierra de equipo electrónico sensible
en una manera que sea adecuado para su operación. [1]
Transitorio (transient o surge):
Un disturbio que ocurre en la forma de onda de CA con una duración inferior a medio
ciclo y que es evidente por la abrupta discontinuidad que presenta. Puede ser de
cualquier polaridad y puede ser aditiva o substractiva a la onda nominal. [1]
Ruido de modo común (common- mode noise):
Es el voltaje de ruido que aparece igualmente y en fase desde cada conductor activo
y tierra. [1]
Voltaje de recuperación (recovery voltage):
Es el voltaje que ocurre a través de las terminales de un polo del dispositivo de
interrupción del circuito en el evento de su apertura. [6]
Blindaje (shield):
Aplicado normalmente a cables de instrumentación, siendo una envoltura
conductora, usualmente metálica aplicada sobre el aislamiento de un conductor o
grupo de conductores, con el propósito de proporcionar un medio para reducir el
acoplamiento entre conductores blindados que pueden ser susceptibles a campos
electrostáticos o electromagnéticos no deseados y otros conductores. [7]
Tensión:
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Diferencia de potencial eléctrico que tiene que existir entre dos partes activas de
una instalación, para que la corriente eléctrica circule por esa instalación. La tensión
se mide en Voltios, por lo que también es conocida como voltaje. [7]
Alta Tensión:
Tensión nominal superior a 34,500 V. [6]
Baja Tensión:
Suministros con tensión inferior a 1.000 V. [6]
Eficiencia Energética:
Es el conjunto de programas y estrategias para reducir la energía que emplean
determinados dispositivos y sistemas sin que se vea afectada la calidad de los
servicios suministrados. [7]
Potencia:
Capacidad de los aparatos eléctricos para producir trabajo, la cantidad de energía
entregada o absorbida por un aparato en un tiempo determinado. La unidad de
medida es el W (watt) o el kW (kilowatt). [6]
Potencia máxima:
También llamada potencia de punta. Es el valor de la mayor de las potencias
demandados durante un período en el punto del suministro. [1]
Potencia reactiva:
Es la potencia absorbida por un receptor y que no produce trabajo útil. [1]
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kWh, Kilowatt hora:
Unidad de energía eléctrica en el Sistema Internacional de Unidades, equivalente a
3,6 millones de Julios y que expresa la energía que desarrolla un equipo generador,
de 1000 Watts de potencia durante una hora, o consume un equipo consumidor de
la misma potencia durante una hora. Es la unidad de energía eléctrica utilizada para
medir el consumo de energía. [1]
Sistema de energía eléctrica:
Es una red eléctrica destinada a suministrar energía eléctrica a un conjunto de
receptores.[7]
Sistema de protección:
Dispositivo que protege frente a los efectos de las sobreintensidades y
sobretensiones que por distintas causas pueden producirse en las redes. [6]
Sobrecarga:
Producida cuando la suma de la potencia de los aparatos conectados a un circuito
supera a la potencia para la cual está diseñado el circuito de la instalación. [6]
Subestación:
Conjunto de equipos, incluido cualquier recinto necesario para la transformación,
conversión o regulación de energía eléctrica. [7]
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Transformador:
Aparato que utiliza el acoplamiento magnético entre algunas de sus partes para
entregar energía eléctrica con tensión igual o distinta de la que la recibe. [7]
Monofásico:
Suministro de energía eléctrica que se realiza con una fase y un neutro (220 V). [7]
Trifásico:
Suministro de energía eléctrica que se realiza con tres fases. [7]
2.3 Problemas de calidad de energía
Podemos decir que existe un problema de calidad de la energía eléctrica cuando
ocurre cualquier desviación de la tensión, la corriente o la frecuencia que provoque
la mala operación de los equipos de uso final y deteriore la economía o el bienestar
de los usuarios; asimismo cuando ocurre alguna interrupción del flujo de energía
eléctrica. Los efectos asociados a problemas de calidad de la energía son:
Incremento en las pérdidas de energía.
Daños a la producción, a la economía y la competitividad empresarial
Incremento del costo, deterioro de la confiabilidad, de la disponibilidad y del
confort.
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Estos problemas son causados principalmente por armónicos, interarmónicos,
muescas de tensión, ruido, fluctuaciones, sobrevoltajes, bajo voltaje, depresiones e
interrupciones.
2.4 Armónicos
Los armónicos son tensiones o corrientes sinusoidales cuya frecuencia es un
múltiplo integral de la frecuencia fundamental del sistema la cual, para el caso de
nuestro país es 60 Hz. Las formas de onda distorsionadas son descompuestas, de
acuerdo con Fourier, en la suma de una componente fundamental más las
componentes armónicas. La distorsión armónica se origina, fundamentalmente, por
la característica no lineal de las cargas en los sistemas de potencia.
El nivel de distorsión armónica se describe por el espectro total armónico mediante
las magnitudes y el ángulo de fase de cada componente individual. Es común,
además, utilizar un criterio denominado distorsión total armónica (THD) como una
medida de la distorsión.
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Figure 2. Armónicos sinusoidales
Dentro de los efectos nocivos que presentan los armónicos, se pueden citar los
siguientes:
Pueden causar errores adicionales en las lecturas de los medidores de
electricidad, tipo disco de inducción.
Las fuerzas electrodinámicas producidas por las corrientes instantáneas,
asociadas con las diferentes corrientes armónicas, causan vibraciones y
ruido acústico en transformadores, reactores y máquinas rotativas.
Son la causa de interferencias en las comunicaciones y en los circuitos de
control.
Provocan la disminución del factor de potencia.
Están asociados con el calentamiento de condensadores.
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CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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Pueden provocar ferroresonancia.
Provocan calentamiento adicional debido al incremento de las pérdidas en
transformadores y máquinas.
Al incrementarse la corriente debido a los armónicos, se aumentan el
calentamiento y de las pérdidas en los cables. Como caso específico, se
puede mencionar la presencia de mayor corriente en los neutros de los
sistemas de baja tensión.
Causan sobrecargas en transformadores, máquinas y cables de los sistemas
eléctricos.
Los armónicos de tensión pueden provocar disturbios en los sistemas
electrónicos. Por ejemplo, afectan el normal desempeño de los tiristores.
2.5 Interarmónicos
Se llaman interarmónicos a las tensiones o corrientes con componentes de
frecuencia que no son múltiplos enteros de la frecuencia a la cual trabaja el sistema.
Los interarmónicos se pueden encontrar en redes de todas las clases de tensiones.
Las principales fuentes de interarmónicos son los convertidores estáticos de
frecuencia, los cicloconvertidores, los motores asincrónicos y los dispositivos de
arco.
Efectos de calentamientos, similares a los producidos por los armónicos, son
causados por los interarmónicos. Debido a que los interarmónicos son fuentes de
son fuentes de las fluctuaciones de tensión, se presenta alto riesgo de la generación
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de fluctuaciones de luminancia molestas (flicker) en las fuentes de luz conectadas
a la misma red de alimentación.
Figure 3. Voltaje Flicker producido por interarmónicos.
2.6 Muescas de Tensión (Notching)
Son perturbaciones periódicas en la forma de onda de tensión, causadas por la
operación normal de los dispositivos de electrónica de potencia, cuando la corriente
es conmutada de una fase a otra. Como ocurren continuamente, son caracterizadas
por el espectro armónico de la tensión afectada. Generalmente son tratadas como
un caso especial ya que los componentes de frecuencia asociados a ellas pueden
ser tan altos que no son fácilmente detectados por los equipos de medición
normalmente utilizados para el análisis armónico.
Las muescas de tensión causan fallas en las CPU, impresoras láser y mal
funcionamiento de algunos equipos electrónicos. La eliminación de las muescas de
tensión implica el aislamiento, de los equipos sensibles, de la fuente que las está
produciendo. La inserción de inserción de reactancias inductivas también puede
servir como solución, para mitigar el efecto de las muescas.
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Figure 4. Muescas de tensión.
2.7 Ruido
El ruido es una señal eléctrica indeseable con un contenido espectral inferior a 200
kHz superpuesto a la tensión o a la corriente del sistema en los conductores de las
fases o en los conductores neutros o líneas de señales.
Puede ser causado por dispositivos de electrónica de potencia, circuitos de control,
equipos de arco, cargas con rectificadores de estado sólido y fuentes conmutadas.
Una de las causas más frecuente de ruidos son los generadores de emergencia
baratos de baja calidad donde se manifiesta el efecto de las ranuras en la forma de
onda del voltaje de salida.
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CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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Figure 5. Ruido eléctrico.
2.8 Fluctuaciones de tensión
Las fluctuaciones de tensión son variaciones sistemáticas del envolvente de la
tensión o una serie de cambios aleatorios de la tensión cuya magnitud no excede
normalmente los rangos de tensión especificados por la norma ANSI C84.1. Las
cargas que muestran variaciones rápidas y continuas de la magnitud de la corriente
pueden causar variaciones de tensión que son frecuentemente denominadas
“flicker”. El término flicker se deriva del impacto de las fluctuaciones de tensión en
las lámparas al ser percibidas por el ojo humano como titilaciones.
Una de las causas más comunes de las fluctuaciones de tensión en los sistemas de
transmisión y distribución son los hornos de arco. En otros sistemas más débiles las
fluctuaciones se pueden deber a la presencia de equipos de soldadura por arco y
cargas similares.
La señal de flicker se define por su magnitud R.M.S. expresada como por ciento de
la tensión nominal. Típicamente magnitudes tan bajas como 0,5% de la tensión del
sistema pueden producir un titileo perceptible en las lámparas si la frecuencia está
en el rango de 6 a 8 Hz. El flicker de tensión se mide con respecto a la sensibilidad
del ojo humano.
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Figure 6. Fluctuaciones de tensión
.
2.9 Sobre-voltaje
Un incremento en el valor eficaz (rms) del voltaje de corriente alterna a la frecuencia
del sistema con duración mayor a algunos segundos.
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Figure 7. Sobrevoltaje
2.10 Bajo-voltaje
Un decremento en el valor eficaz (rms) del voltaje de corriente alterna a la frecuencia
del sistema con duración mayor a algunos segundos.
2.11 Depresiones.
Las depresiones consisten en una reducción entre 0,1 y 0,9 p.u. en el valor R.M.S.
de la tensión o corriente con una duración de 0,5 ciclo a un minuto. Las depresiones
de tensión son normalmente asociadas a fallas del sistema, a la energización de
grandes cargas, al arranque de motores de elevada potencia y a la energización de
transformadores de potencia.
Los efectos nocivos de las depresiones de tensión dependen de su duración y de
su profundidad, estando relacionados con la desconexión de equipos de cómputo,
PLC y contactores entre otros dispositivos. También presenta efectos sobre la
velocidad de los motores. Diferentes posibilidades existen para mitigar los efectos
de los sags. La primera consiste en estabilizar la señal de tensión a través de
acondicionadores de red, los cuales existen con diferentes principios y tecnologías.
30
CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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Figure 8. Depresión de tensión.
2.12 Interrupciones
Una interrupción ocurre cuando la tensión o la corriente de la carga disminuyen por
un período de tiempo que no excede un minuto. Las interrupciones pueden ser el
resultado de fallas en el sistema, equipos averiados o debidas al mal funcionamiento
de los sistemas de control. Las interrupciones se caracterizan por su duración ya
que la magnitud de la tensión es siempre inferior al 10% de su valor nominal.
El recierre instantáneo generalmente limita la interrupción causada por una falla no
permanente a menos de 30 ciclos. La duración de una interrupción motivada por el
funcionamiento indebido de equipos o pérdidas de conexión es irregular.
31
CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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Figure 9. Interrupción local e Interrupción del suministrador.
2.13 Estudio de calidad de energía
2.13.1 Objetivo
Evaluar los problemas de calidad eléctrica: transitorios, armónicas, regulación de
voltaje, consumo, factor de potencia, revisión del sistema de tierras y fluctuaciones
dinámicas de voltaje, para determinar la afectación que tiene sobre el sistema y
equipos finales y verificar que cumplan con la norma provisional de CFE L0000-45
"perturbaciones permisibles en la forma de onda de tensión y corriente del
suministro de energía eléctrica".
2.13.2 Análisis de calidad eléctrica
El análisis de calidad eléctrica deberá estar enfocado a cumplir con las normas
nacionales e internacionales principales a este respecto. El análisis cumplirá los
siguientes puntos:
32
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Análisis previo:
Se discutirá con los usuarios los antecedentes que se han detectado
referente a todos y cada uno de los problemas que se atribuyen a una mala
calidad de energía eléctrica.
Inspección visual:
Se llevará a cabo una inspección visual y levantamiento de información al
respecto a la instalación eléctrica y equipos afectados.
Mediciones:
Las mediciones de campo que se efectuaran se realizarán en las siguientes
etapas:
Neutro y tierra:
o Medición del conductor de neutro y tierra
o Diferencia de potencial entre neutro y tierra
Parámetros eléctricos:
o Voltaje por fase y trifásico
o Intensidad por fase y trifásico
o Factor de potencia por fase y trifásico
o Potencia activa por fase y trifásico
o Potencia aparente por fase y trifásico
o Potencia reactiva por fase y trifásico
Armónicas:
33
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o Distorsión armónica total en tensión e intensidad por fase
o Contenido armónico en tensión e intensidad hasta la armónica 25 en cada
una de las fases
o Distorsión armónica total en los conductores de neutro y tierra
o Distorsión armónica individual hasta la armónica 25 en los conductores
de neutro y tierra
Transitorios:
Se medirán transitorios de voltaje y corriente simultáneamente en todas las
fases. Todos los eventos transitorios, deberán ser capturados como mínimo con
una resolución de ½ ciclo y deberá tenerse un registro simultáneo de cada una
de las fases.
o Perfil de voltaje mínimo, promedio y máximo
o Sobre voltajes / Caídas de voltaje
o Sags
o Swells
o Impulsos
Microinterrupciones:
Todas las mediciones realizadas se efectuarán en condiciones normales de
carga.
2.14 Factor de potencia
2.14.1 ¿Qué es el factor de potencia?
34
CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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Es un indicador cualitativo y cuantitativo del correcto aprovechamiento de la energía
eléctrica. También podemos decir, el factor de potencia es un término utilizado para
describir la cantidad de energía eléctrica que se ha convertido en trabajo.
2.14.2 ¿Qué es Potencia?
La potencia se puede definir como la capacidad para efectuar un trabajo, en otras
palabras, como la razón de transformación, variación o transferencia de energía por
unidad de tiempo. Existen tres tipos de potencia:
Potencia Activa
Los diferentes dispositivos eléctricos convierten energía eléctrica en otras formas
de energía como: mecánica, lumínica, térmica, química, entre otras. Esta energía
corresponde a la energía útil o potencia activa o simplemente potencia, similar a la
consumida por una resistencia.
Potencia Reactiva
Los motores, transformadores y en general todos los dispositivos eléctricos que
hacen uso del efecto de un campo electromagnético, requieren potencia activa para
efectuar un trabajo útil, mientras que la potencia reactiva es utilizada para la
generación del campo magnético, almacenaje de campo eléctrico que en sí, no
produce ningún trabajo. La potencia reactiva esta 90 ° desfasada de la potencia
activa.
Potencia Aparente
Es la que resulta de considerar la tensión aplicada al consumo de la corriente que
éste demanda. Es también la resultante de la suma de los vectores de la potencia
activa y la potencia reactiva.
35
CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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2.14.3 Triángulo de Potencias
El llamado triángulo de potencias es la mejor forma de ver y comprender de forma
gráfica qué es el factor de potencia o coseno de “fi” (Cos) y su estrecha relación con
los restantes tipos de potencia presentes en un circuito eléctrico de corriente alterna.
Figure 10. Triángulo de potencias.
Como se podrá observar la figura 10, el factor de potencia o coseno de “fi” (Cos)
representa el valor del ángulo que se forma al representar gráficamente la potencia
activa (P) y la potencia aparente (S), es decir, la relación existente entre la potencia
real de trabajo y la potencia total consumida por la carga o el consumidor conectado
a un circuito eléctrico de corriente alterna. Esta relación se puede representar
también, de forma matemática, por medio de la siguiente fórmula:
Figure 11. Fórmula FP.
36
CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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El resultado de esta operación será “1” o un número fraccionario menor que “1” en
dependencia del factor de potencia que le corresponde a cada equipo o dispositivo
en específico, según contenga un circuito inductivo, resistivo, o una combinación de
ambos. Ese número responde al valor de la función trigonométrica “coseno”,
equivalente a los grados del ángulo que se forma entre las potencias (P) y (S).
Si el número que se obtiene como resultado de la operación matemática es un
decimal menor que “1” (como por ejemplo 0,95), dicho número representará el factor
de potencia correspondiente al defasaje en grados existente entre la intensidad de
la corriente eléctrica y la tensión o voltaje en el circuito de corriente alterna.
Lo ideal sería que el resultado fuera siempre igual a “1”, pues así habría una mejor
optimización y aprovechamiento del consumo de energía eléctrica, o sea, habría
menos pérdida de energía no aprovechada y una mayor eficiencia de trabajo en los
generadores que producen esa energía.
2.14.4 ¿Por qué existe bajo factor de potencia?
La potencia reactiva, es necesaria para producir el flujo electromagnético que pone
en funcionamiento elementos como: motores, transformadores, lámparas
fluorescentes, equipos de refrigeración, entre otros. Cuando la cantidad de estos
equipos es apreciable, un alto consumo de energía reactiva puede producirse como
consecuencia. Entre las principales consecuencias de un bajo factor de potencia
podemos mencionar los siguientes:
Aumento en la corriente, incrementan las pérdidas por efecto Joule las cuales
son una función del cuadrado de la corriente, ejemplo:
37
CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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o Los cables entre el medidor y el usuario.
o Los embobinados de los transformadores de distribución.
o Dispositivos de operación y protección.
Aumento en la caída de tensión resultando en un insuficiente suministro de
potencia a las cargas, éstas sufren una reducción en su potencia de salida.
Esta caída de tensión afecta a:
o Embobinados de transformadores de distribución.
o Cables de alimentación.
o Sistema de protección y control.
Estas desventajas también afectan al productor y al distribuidor de energía
eléctrica. El productor penaliza al usuario con factor de potencia bajo
haciendo que pague más por su electricidad.
2.15 Protección y seguridad
2.15.1 Puesta a tierra
La puesta a tierra es esencial para obtener un desempeño seguro y satisfactorio en
el sistema de potencia, debiendo cumplir con tres requerimientos:
1. Proporcionar una trayectoria de baja impedancia a las corrientes de falla, de
forma que los dispositivos de protección de sobre-corriente operen
oportunamente.
38
CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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2. Mantener una diferencia de potencial baja entre las partes metálicas
expuestas para evitar daños al personal.
3. Controlar el sobre-voltaje.
Figure 12. Puesta a tierra
La puesta a tierra de equipo sensible tal como equipo de procesamiento de
información, involucra otro aspecto, ya que cuenta con líneas de comunicación con
otros equipos que cuentan con su propio conductor de referencia cero que puede o
no estar unido a la tierra de seguridad del equipo, por lo que puede haber una
trayectoria común entre los circuitos de señal y los circuitos de alimentación,
provocando problemas de ruido por acoplamiento. Las líneas de datos conducen
señales de alta frecuencia, de forma que las consideraciones de impedancia de
puesta a tierra para la alimentación y seguridad en el equipo puede que no
proporcionen la baja impedancia deseada a la frecuencia de la señal.
2.15.2 Supresores de picos
Se trata de un dispositivo especializado en tratar los siguientes problemas:
Alto Voltaje Momentáneo (Surge):
39
CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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También conocido como pico. Los picos pueden ser producidos por una
rápida reducción de las cargas, cuando el equipo pesado es apagado por
voltajes que van por arriba del 110 % del nominal. Los resultados pueden ser
daños al hardware.
Bajo Voltaje Sostenido (Undervoltage):
Bajo voltaje sostenido en la línea por periodos extendidos de unos cuantos
minutos, hasta días. Puede ser causado por una reducción intencional del
voltaje para conservar energía durante los periodos de mayor demanda. El
bajo voltaje sostenido puede causar daños a los equipos.
Sobre Voltaje Sostenido (Overvoltage):
Sobre voltaje en la línea por periodos largos. Puede ser causado por un
relámpago y puede incrementar el voltaje de la línea hasta 6000 volts en
exceso. El sobre voltaje casi siempre ocasiona pérdida de la información y/o
daño del hardware.
Ruido Eléctrico (Line Noise)
Significa interferencia de alta frecuencia causada por RFI ó EMI. Puede ser
causada por interferencia producida por transmisores, máquinas de soldar,
impresoras, relámpagos, etc. Introduce errores en los programas/archivos,
así como daños a los componentes electrónicos.
Transiente (Switching Transient)
Es la caída instantanea del voltaje en el rango de los nanosegundos. La
duración normal es más corta que un pico. Puede originar comportamiento
40
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extraño del equipo de cómputo y coloca estrés en los componentes
electrónicos quedando propensos a fallas prematuras.
2.16 Transformadores
El transformador es una máquina eléctrica basada en el fenómeno de la inducción
234 Tecnología eléctrica mutua y destinado para transformar la tensión de una
corriente alterna, pero conservando la misma frecuencia y potencia. El
transformador más simple consta de un núcleo de acero y dos devanados aislados,
tanto del núcleo como entre sí. [18]
Para lograrlo, transforma la electricidad que le llega al devanado de entrada en
magnetismo para volver a transformarla en electricidad, en las condiciones
deseadas, en el devanado secundario. La importancia de los transformadores, se
debe a que, gracias a ellos, ha sido posible el desarrollo de la industria eléctrica. Su
utilización hizo posible la realización práctica y económica del transporte de energía
eléctrica a grandes distancias.
2.16.1 Componentes de los transformadores
eléctricos
Los transformadores están compuestos de diferentes elementos. Los
componentes básicos son:
41
CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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Figure 13. Componentes básicos de un transfomador
Núcleo:
Este elemento está constituido por chapas de acero al silicio aisladas entre
ellas. El núcleo de los transformadores está compuesto por las columnas,
que es la parte donde se montan los devanados, y las culatas, que es la
parte donde se realiza la unión entre las columnas. El núcleo se utiliza para
conducir el flujo magnético, ya que es un gran conductor magnético.
Devanados:
El devanado es un hilo de cobre enrollado a través del núcleo en uno de
sus extremos y recubiertos por una capa aislante, que suele ser barniz.
Está compuesto por dos bobinas, la primaria y la secundaria. La relación de
vueltas del hilo de cobre entre el primario y el secundario nos indicará la
relación de transformación. El nombre de primario y secundario es
totalmente simbólico. Por definición allá donde apliquemos la tensión de
entrada será el primario y donde obtengamos la tensión de salida será el
secundario.
2.16.2 Esquema básico y funcionamiento del
transformador
Los transformadores se basan en la inducción electromagnética. Al aplicar una
fuerza electromotriz en el devanado primario, es decir una tensión, se origina un
flujo magnético en el núcleo de hierro. Este flujo viajará desde el devanado
primario hasta el secundario. Con su movimiento originará una fuerza
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CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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electromagnética en el devanado secundario. Según la Ley de Lenz, necesitamos
que la corriente sea alterna para que se produzca esta variación de flujo. En el
caso de corriente continua el transformador no se puede utilizar.
Figure 14. Esquema básico de funcionamiento de un transformador
Capítulo 3: Metodología
3.1 Calidad de energía
Después de realizar un estudio de calidad de energía y haber detectado el problema
se procede a las posibles soluciones. Durante el estudio se detectan fallas en
tensión, corriente, armónicas, factor de potencia, potencia y frecuencia. Para la
realización de este estudio se necesita un equipo especializado que cuente con la
tecnología para poder realizarlo, a continuación se presenta un equipo desarrollado
únicamente para la calidad de energía.
43
CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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Figure 15. Equipo analizador; Fluke 1735 Three-Phase Power Logger
Con este dispositivo se procede a hacer un análisis de los diversos factores que
influyen en la calidad de energía, posteriormente se realiza un reporte. En base a
este reporte se trabaja en las soluciones, los problemas más comunes son el voltaje,
corriente, factor de potencia y armónicas. Para este tipo de problemas se han
desarrollado equipos especializados para ser tratados, a continuación se presentan
los reguladores de voltaje, filtros de armónicas, bancos de capacitores para la
corrección del factor de potencia y supresores de picos.
3.2 Mantenimiento a subestaciones eléctricas
Anteriormente se detalló el tema de transformadores, por lo que su
mantenimiento es necesario. Para un mantenimiento eficaz se necesitan
equipos especializados que cuenten con la tecnología para realizar las pruebas
en los transformadores, como son; prueba de relación de transformación, prueba
de tierras, prueba de resistencia de aislamiento y la prueba de rigidez dieléctrica
44
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del aceite. A continuación se muestran los equipos utilizados en los
mantenimientos.
Figure 16. Equipo prueba relación de transformación; Megger TTR20 Hand-Held Transformer Turns Ratio
Tester
Figure 17. Equipo prueba resistencia de aislamiento; Megger S1-552/2 5 kV high current insulation resistance
tester
Figure 18. Equipo prueba rigidez dieléctrica del aceite; Megger OTS60SX
45
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Figure 19. Equipo prueba de tierras; MEGGER DET24C
Con los dispositivos mencionados anteriormente se procede a realizar las pruebas
en los transformadores, posteriormente se realiza un reporte y en base a este
reporte se trabaja en las soluciones.
Capítulo 4: Resultados y discusiones
4.1 Reporte calidad de energía
A continuación se presenta un ejemplo de un reporte de calidad de energía realizado
en la empresa “SUGAR FOODS” el día 27 de Octubre de 2015, el siguiente reporte
especifica cómo es que se realiza un estudio de calidad de energía, sus resultados
y sus posibles soluciones.
46
CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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RESUMEN EJECUTIVO
Con el fin de analizar la calidad de energía eléctrica en las instalaciones de SUGAR
FOODS, se elaboró el siguiente reporte en base a las mediciones de distintos
parámetros eléctricos realizadas en el TRANSFORMADOR #1 DE 1500 KVA
durante el mes de Octubre del 2015.
OBJETIVO
El objetivo primordial de este reporte es que mediante el estudio realizado se revise
la calidad de energía en el transformador que distribuye la corriente al interruptor
principal de las instalaciones, y en base a esto realizar recomendaciones para
mejorar la calidad y protección de la energía en la red eléctrica.
INFORMACIÓN DEL PUNTO DE MEDICIÓN
Las mediciones se llevaron a cabo en la subestación principal en el transformador
#1 de 1500 KVA con las siguientes especificaciones:
DATOS DE TRANSFORMADOR
MARCA IMEM
TIPO ESTACIÓN
No. DE FASES 3 (TRES)
CAPACIDAD 1500 KVA
TENSIONES PRIMARIO: 13,200 V
SECUNDARIO: 480/277 V
No. SERIE 495786
ACEITE (LTS) 480
47
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CALIDAD DE SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA
Se describe el procedimiento para realizar el servicio de mediciones.
1.- Se procede a conectar transformadores de corriente y pinzas de voltaje del
equipo registrador en las terminales del secundario del interruptor. Se programa el
equipo para realizar mediciones de los parámetros voltaje, corriente, potencia
aparente, potencia activa, potencia reactiva, factor de potencia, distorsión armónica
de voltaje y de corriente durante 48 horas que es el tiempo en el que opera
comúnmente el equipo. La finalidad es que al término de estas mediciones se
verifique el registro y en el caso de encontrar algún disturbio enfocarnos en él para
mitigarlo o en dado caso solucionarlo por completo.
48
CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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MEDICIÓN DE VOLTAJE
El voltaje nominal del transformador es de 480/277Volts. Un rango de variación de
voltaje considerado como recomendable y dentro de los límites para un correcto
funcionamiento de los equipos es un 5% arriba o por debajo por lo que el voltaje de
fase a neutro que entrega este interruptor debería estar en un rango entre 263.15 y
290.85 Volts. Revisando las gráficas de medición de voltaje nos encontramos que
el rango de oscilación de voltaje de fase a neutro que entrega el transformador es
de 211.50 a 274.47 Volts, con una desviación máxima de -20.09%.
Tensión
L1MED
Tensión L2
MED
Tensión L3
MED NOMINAL DESVIACIÓN ESTANDAR
PROMEDIO 267.91 263.06 270.03 277 5.19 3.45 5.94
MAX 272.32 274.45 274.47 277 6.73 7.45 7.46
MIN 264.16 211.50 265.88 277 3.85 -20.09 4.47
49
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MEDICIÓN DE CORRIENTE
El medidor registró una corriente media de 467.79 Amperes con un máximo de
620.41 Amperes y un mínimo de 233.36 Amperes. Presentando una desviación
máxima de 3.13%.
MEDIA
DESVIACIÓN ESTANDAR (%)
Corriente
L1MED
Corriente
L2 MED
Corriente
L3 MED L1 L2 L3
PROMEDIO 453.58 471.42 478.35 467.79 -3.13 0.77 2.21
MAX 601.09 630.68 629.46 620.41 -3.21 1.63 1.44
MIN 231.00 228.55 240.55 233.36 -1.02 -2.11 2.99
50
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MEDICIÓN DE POTENCIA ACTIVA
Se registró una potencia activa promedio media de 324.540KW, presentando un
máximo de 435.469 KW y un mínimo medio de 152.836 KW.
Potencia
Activa
L1 MED
Potencia
Activa
L3 MED
Potencia
Activa
L3 MED
Potencia
Activa
TOTAL
PROMEDIO 104.820 108.653 111.066 324.540
MAX 140.203 149.105 146.160 435.469
MIN 50.727 47.127 54.850 152.836
51
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MEDICIÓN DE POTENCIA APARENTE
Se registró una potencia aparente promedio media de 324.54 KVA, presentando un
máximo de 435.46 KVA y un mínimo medio de 152.83 KVA.
Potencia
Aparente
L1 MED
Potencia
Aparente
L2 MED
Potencia
Aparente
L3 MED
Potencia
Aparente
TOTAL
PROMEDIO 121.44 124.38 129.08 374.90
MAX 159.90 169.26 168.74 497.91
MIN 62.31 56.61 65.45 184.51
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MEDICIÓN DE POTENCIA REACTIVA
Se registró una potencia reactiva promedio media de 186.628 KVAR, presentando
un máximo de 240.28 KVAR y un mínimo medio de 103.48 KVAR.
Potencia
Reactiva
L1 MED
Potencia
Reactiva
L2 MED
Potencia
Reactiva
L3 MED
Potencia
Reactiva
TOTAL
PROMEDIO 61.116 60.178 65.333 186.628
MAX 77.040 79.789 84.436 240.283
MIN 36.392 31.025 35.738 103.483
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CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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MEDICIÓN DE FACTOR DE POTENCIA
Se registró una factor de potencia promedio medio de 86%, presentando un máximo
de 89% y un mínimo medio de 79%.
FP L1
MED
FP
L2 MED
FP
L3 MED
FP
TOTAL
PROMEDIO 0.86 0.87 0.86 0.86
MAX 0.89 0.89 0.88 0.89
MIN 0.78 0.79 0.79 0.79
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MEDICIÓN DE DISTORCIÓN ARMÓNICA TOTAL DE VOLTAJE
La distorsión armónica total de voltaje promedio registrada en cada una de las fases
esmenor al 5 %. Según los estándares de la IEEE en su norma 519 como en la
norma L00045 de la CFE los límites de la distorsión armónica total de voltaje para
tensiones menores a 69 KV en la acometida son de 5%.
THD V
L1 MED
THD V
L2 MED
THD V
L3 MED
PROMEDIO 1.03 1.90 1.26
MAX 1.50 13.40 1.70
MIN 0.50 0.70 0.70
55
CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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MEDICIÓN DE DISTORCIÓN ARMÓNICA TOTAL DE CORRIENTE
La distorsión armónica total de corriente promedio registrada en cada una de las
fases es menor al 10 %. Estos valores se consideran normales ya que según los
estándares de la IEEE en su norma 519 como en la norma L00045 de la CFE los
límites de la distorsión armónica total de armónicas para tensiones menores a 69
KV en la acometida son de 10%.
THD A
L1 MED
THD A
L2 MED
THD A
L3 MED
PROMEDIO 4.85 5.93 6.45
MAX 9.10 12.00 12.00
MIN 1.60 2.10 2.60
56
CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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4.2 Reporte mantenimiento a subestaciones eléctricas
En este reporte se presentan las actividades realizadas el día 05 de Diciembre de
2015 durante el servicio de mantenimiento preventivo a subestación eléctrica del
HOSPITAL NAVAL, de igual forma se incluyen observaciones y recomendaciones
para mantener en buenas condiciones la instalación de esta subestación eléctrica.
Esta subestación consta de un punto de conexión en transición aéreo subterráneo
trifásico ubicado en red de media tensión, 13200 V de CFE, para la alimentación de
un transformador con las características indicadas a continuación:
DATOS DE TRANSFORMADOR 1
MARCA PROLEC
TIPO PEDESTAL
No. DE FASES 3
CAPACIDAD 300 KVA
TENSIONES 13,200 V
440/254 V.
No. SERIE KJ53-11-001
Se describe el procedimiento para realizar el servicio de mantenimiento preventivo.
1.- Se revisan voltajes en el secundario de cada transformador para proceder a
desconectar los equipos que alimenta esta subestación , se abre cada uno de los
interruptores termo magnéticos dentro del tablero de distribución que protegen los
circuitos secundarios para finalizar con el interruptor principal.
2.- Se procede a desconectar las cuchillas en transición para des energizar la
alimentación primaria que va hacia el transformador de 300 KVA., se revisan los
fusibles y se verifican las condiciones de las cuchillas y apartarrayos.
3.- Se desconecta la alimentación primaria del transformador y también los circuitos
secundarios para proceder a realizar las pruebas eléctricas de relación de
transformación y nivel de aislamiento en el transformador.
57
CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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4.- Se procura limpiar la válvula de muestreo para tomar muestra de aceite del
transformador. Se verifica apariencia visual y que no existan residuos tales como
lodo en la muestra. Los resultados de la prueba de rigidez dieléctrica de la muestra
del aceite tomado se entregarán en protocolo de pruebas adjunto a este reporte.
5.- Se vuelve a conectar la alimentación primaria así como secundaria del
transformador procurando la limpieza en las terminales y dejar firmemente
apretadas cada una de las conexiones.
6.- Se revisa las condiciones de tierra física de toda la subestación, buscando algún
deterioro en el cable o en las conexiones.
7.- Se revisa por última vez las conexiones eléctricas para posteriormente proceder
a conectar la red de media tensión mediante la transición aérea subterráneo.
Se revisan voltajes en las terminales de baja tensión de cada transformador
comparando los datos obtenidos con los arrojados antes del servicio de
mantenimiento y corroborando estos datos con los de la placa de datos del
transformador.
Una vez verificados los voltajes se procede a cerrar uno por uno los interruptores
termo magnéticos que protegen los circuitos secundarios.
Capítulo 5: Conclusiones y propuestas
5.1 Observaciones y recomendaciones calidad de energía
El voltaje se encuentra ligeramente fuera del rango de los límites aceptados para un
buen funcionamiento de los equipos que van de 480/277 volts, con un rango de
variación promedio arriba del 5%, esto puede ser debido a un mal suministro de
voltaje de CFE y/o una mala relación de transformación, se recomienda bajar la
58
CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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posición del cambiador de posiciones del transformador en alguna libranza
programada.
La corriente se encuentra considerablemente balanceada.
La potencia del transformador se considera sobrada para la demanda consumida
por los equipos ya que se presentó un factor de utilización máximo del 33%.
La demanda de reactivos de este transformador es en promedio de 187 KVARS con
un máximo registrado de 240 KVARS.
La medición tomada en cuanto a Factor de Potencia muestra que se tiene un
promedio de 86%, y una demanda máxima de 498 kW, se muestra una tabla con la
cantidad de KVARS necesario para elevar el factor de potencia a diferentes niveles
en este transformador.
CÁLCULO DE KVAR A DISTINTOS F.P. SUBESTACION 1500 KVA
Mes kW F.P. kVAR /F.P.
0.9 0.91 0.92 0.93 0.95 0.97 0.98 0.99 1
Transformador 1 497.91 86.00 54 69 83 99 132 171 194 224 295
Tabla 1. Calculo de KVAR A DISTINTOS F. P. SUBESTACION 1500 KVA
En la evaluación de banco de capacitores se tiene que el balance es muy bueno
pero en cuanto al nivel de vida se tiene un porcentaje de 51%, lo que significa que
está entregando solamente el 51% de los reactivos, siendo recomendable la
sustitución, se muestra en la tabla siguiente.
Tabla 2. Evaluación bancos de capacitores
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CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
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Con respecto al contenido armónico de voltaje no se encuentra ningún problema ya
que está por debajo del 5 % que es el límite aceptable. Estos límites son
recomendados por la IEEE en su norma 519 como en la norma L00045 de C.F.E.
En cuanto al contenido armónico de corriente, se por debajo del 10% que es el límite
recomendado por la IEEE en su norma 519 como en la norma L00045 de C.F.E.
5.2 Observaciones y recomendaciones mantenimiento a
subestaciones eléctricas
TRANSFORMADOR 300 KVA
PRUEBA DE RELACIÓN DE TRANSFORMACION (TTR)
Se realizaron pruebas en la posición 3 del cambiador de derivaciones suponiendo
una conexión de los devanados en DELTA-ESTRELLA. Los valores arrojados están
dentro del rango de la máxima diferencia permitida por NORMA con respecto a los
valores nominales la cual es de 0.5%.
PRUEBA DE AISLAMIENTO (MEGGER)
El nivel de aislamiento arrojado a un minuto de cada una de las pruebas se puede
tomar como regular considerando la clase de aislamiento del transformador
sumergido en aceite en base a los valores mínimos de aislamiento recomendados
por NORMA.
Los índices de absorción arrojaron resultados que se pueden catalogar como de
dudosos ya que estuvieron en el rango de 1.13, los valores aceptados como de
regular a excelente van en el rango de 1.25 a mayor de 1.6, con respecto a los
índices de polarización arrojan resultados que se pueden catalogar como pobre a
regular, los valores obtenidos se encuentran en el rango de 1.32 y 2.52, los valores
aceptados como de regular a excelente van en el rango de 2 a mayor de 4.
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CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
MORELOS SILVA RODRIGO FERNANDO
Condiciones índice de absorción índice de polarización
Peligro …………. menos de 1
Pobre menos de 1.1 menos de 1.5
Dudoso 1.1 a 1.25 1.5 a 2
Regular 1.25 a 1.4 2 a 3
Bueno 1.4 a 1.6 3 a 4
Excelente arriba de 1.6 arriba de 4
Tabla 3. Índice de absorción e índice de polarización.
Se le aplicó prueba de resistencia eléctrica al sistema de tierra del transformador y
de tableros, así como de continuidad.
Los resultados obtenidos estuvieron en el rango de 0.14 Ω, por lo que se determina
que se encuentra en excelente estado, de acuerdo con la inspección física el cable
no presenta corrosión, es del calibre adecuado para cumplir con su función
óptimamente y opera dentro del rango de valores aceptable que es de 0 a 10 Ω.
Bibliografía
[1] IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality (IEEE Std.
1159-1995). Institute of Electrical and Electronics Engineers. ISBN 1- 55937-549-3.
Estados Unidos, 1995.
[2] Secretaria General. Secretaria de Servicios Parlamentarios. (2012). Ley del
Servicio Público de Energía Eléctrica. En Ley del Servicio Público de Energía
Eléctrica (24). Distrito Federal, México.: Cámara de Diputados del H. Congreso de
la Unión.
61
CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
MORELOS SILVA RODRIGO FERNANDO
[3] Electrical Power Systems Quality. Roger C. Dugan, Mark F. Mc Granaghan,
Surya Santoso, H. Wayne Beaty. Ed. Mc Graw -Hill. Estados Unidos, 1996.
[4] Característica de la tensión suministrada por las redes generales de
distribución (UNE-EN 50160). Ed. AENOR. España, 2001.
[5] NEMA Standards Publication ANSI/NEMA MG 1-2003, “Motors and
Generators“. National Electrical Manufacturers Association. Estados Unidos, 2004.
[6] IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in
Electric Power Systems (IEEE Std. 519-1992). Institute of Electrical and
Electronics Engineers. ISBN 1-55937-239-7. Estados Unidos, 1993.
[7] IEEE Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plant
(IEEE Std.141-1994). ISBN 1-55937-333-4. New York, USA, 1994.
[8] UPME. (2000). Calidad de la energía eléctrica. 10 de diciembre de 2015, de
COLCIENCIAS Sitio web: http://www.si3ea.gov.co/Portals/0/Gie/Docs/calidad.pdf
[9] Ing. Eugenio Téllez Ramírez. (2001). CALIDAD DE LA ENERGIA. 9 de
diciembre de 2015, de AP&C Sitio web:
http://www.watergymex.org/contenidos/rtecnicos/Optimizando%20la%20Operacion
%20y%20el%20Mantenimiento/Calidad%20de%20la%20Energia.pdf
[10] Santiago Barcón, Rafael Guerrero, Iván Martínez. (2011). CALIDAD DE LA
ENERGIA; Factor de potencia y filtrado de armónicas. México: Apolo.
62
CALIDAD DE ENERGIA Y MANTENIMIENTO A SUBESTACIONES ELECTRICAS
MORELOS SILVA RODRIGO FERNANDO
[11] L.I. Eguíluz M. Magaña, P.Benito y J.C. Lavandero “El factor de potencia del
sistema, su relación con las pérdidas de distribución en redes distorsionadas y
efectos del empleo de condensadores en la mejora del fp”. E.T.S.I.I.T. Universidad
de Cantabria.
[12] P.S. Filipski, “Polyphase apparent power and power factor under distorted
waveform conditions”. IEEE Trans. On Power Delivery, Vol. 6, No. 3, July 1991.
[13] Albert F. Spitta - Günter G. Seip. Instalaciones Eléctricas, Tomo I Roberto
Aguilar Mercado (1987 ). “ El Watthorímetro “. Editorial Limusa, S.A. de C.V.
[14] David A. Bell. ( 1988 ). “Fundamentals of Electric Circuits”. Fourth Edtion.
Prentice - Hall, INC. Englewood Cliffs, New Jersey 07632.
[15] CFE. (2000). FACTOR DE POTENCIA. 4 de diciembre de 2015, de CFE Sitio
web:
http://www.cfe.gob.mx/Industria/AhorroEnergia/Lists/Ahorro%20de%20energa/Atta
chments/3/Factordepotencia1.pdf
[16] Protección de sistemas eléctricos de potencia. Mujal Rosas, Ramón Mª.
Ediciones UPC. Aula Politécnica (2002).
[17] Tecnología eléctrica. Mujal Rosas, Ramón Mª. 1º edición. Ediciones UPC.
Aula Politécnica (2000).
[18] Ramón Mª Mujal Rosas . (1999). Transformadores. En Tecnología eléctrica
(455). Mexico: AP&C.