Sistema de distribución bajo un entorno no lineal

Sistema de distribución bajo un entorno no lineal

Indice1. Introducción 2. Cargas eléctricas 3. Factor de potencia 4. Caracterización armónica 5. Longitud de Primarios y perdidas técnicas 6. Capacitores y filtros de armónicas 7. Reducción de armónicas 8. Transformadores 9. Discusión 10. Referencias 11. Anexo

1. Introducción

Varios eventos durante el transcurso de este siglo han influenciado para que las cargas eléctricas y los servicios de los sistemas de distribución cambien radicalmente. El primero lo constituye la invención del transistor, donde nace la electrónica de potencia apareciendo como consecuencia inmediata la carga no lineal, un segundo evento lo constituye el problema de los energéticos ocurridos en los años setenta donde la electrónica se masifica con mas afán para producir equipos más eficientes con menor consumo de energía y una tercera influencia mundial ocurre afines de los ochenta donde que se busca mejorar la productividad con equipos mas eficaces, eficientes conjugando la reducción de costos y a su vez ofreciendo servicios de calidad.

A inicios de este siglo las cargas eléctricas consideradas típicas eran de tipo resistivo, inductivo o capacitivo es decir cargas lineales y resulta algo paradójico que a inicios del siglo XXI las nuevas cargas eléctricas lo constituyen en un alto porcentaje cargas no lineales. Si se revisa la tendencia actual del desarrollo tecnológico se encontrara que todo dispositivo tienen entre sus componentes internas algún dispositivo de control electrónico las mismas que en gran parte poseen fuentes de alimentación de modo conmutado o de otro tipo

Las empresas que suministran servicio eléctrico se mantuvieron durante mucho tiempo en una época en la que se podría llamar de la navegación tranquila, ya que estas solamente se preocupaban de satisfacer la creciente demanda de sus "usuarios" ya sea construyendo centrales de generación o subestaciones con mayor capacidad y por supuesto asumiendo que las cargas eléctricas eran las ya conocidas (resistivas – inductivas – capacitivas) las cuales a excepción de su tamaño no eran de preocupación técnica alguna para los profesionales de dichas empresas. Muchos de los estudios en la red eléctrica de distribución eran orientados solamente con fines de protección de los equipos de la red. Se daba además un marcado divorcio entre "abonado" y empresa eléctrica, ya que poco o nada en cuanto a información técnica cruzada existía.

Hoy en día en muchas empresas eléctricas en el ámbito mundial se habla mucho de la eficiencia, de la optimización de recursos, reducción de costos y la calidad en todos los aspectos que esta pueda estar involucrada. La época de la navegación tranquila para todas las empresas eléctricas ha llegado a su fin para abrir paso a una nueva época en la cual todo gira en función del cliente de la red eléctrica.

Este trabajo revisa ciertos aspectos técnicos actuales que se ven afectados en la red de distribución eléctrica y propone cierto análisis matemáticos tendientes a reducir armónicas generadas ya sea desde cargas puntuales o como efecto del conjunto de cargas. El objetivo de este articulo es concientizar a los técnicos que forman parte de: empresas eléctricas, libre ejercicio, entidades de educación superior, entidades publicas relacionadas al sector eléctrico, fabricantes de equipos y a los clientes de la red, sobre los cambios que se han dado en la red de distribución eléctrica en el nuevo entorno bajo el cual se navega.

2. Cargas eléctricas

Muchos estudios se han realizado con respecto a la influencia de las armónicas de corriente y voltaje en aparatos eléctricos y electrónicos, los mismos que han mostrado que si existen efectos secundarios sobre el desempeño de muchos de estos equipos. El propósito de este ítem no es analizar nuevamente los efectos internos de las armónicas de corriente en los equipos eléctricos, si no mas bien revisar las nuevas clases de cargas eléctricas y las formas de onda típicas de corriente que se puede encontrar en acometidas de varios tipos de clientes.

Existe una gran diversidad de cargas eléctricas las mismas que debido a su función especifica generan formas de onda de corriente diferentes a la onda sinusoidal y varias inclusive afectan directamente a la forma de onda de voltaje. A continuación se muestran varias curvas de corriente de equipos de tipo residencial, industrial, comercial que se han podido capturar con equipos de análisis de calidad de energía.

Las curvas mostradas anteriormente corresponden a los siguientes casos:

• Figura 1: Equipos comúnmente encontrados en oficinas.
• Figura 2: Luminarias electrónicas compactas y de tipo convencional (fluorescente) utilizadas en oficinas y hogares. Si bien las lampara de tipo compacto ayudan a reducir significativamente el consumo de energía en los hogares, sin embargo existen otros efectos secundarios que se deben tomar en cuenta como la distorsión armónica, el factor de potencia, efecto estroboscópico, el color del flujo luminoso.
• Figura 3. Curvas halladas en muchas pequeñas industrias, donde por lo general se utilizan soldadoras eléctricas y motores trifasicos.
• Figura 4. Los clientes residenciales constituyen la mayor parte del numero total de clientes de una empresa eléctrica. Las figuras son comúnmente encontradas en los hogares que poseen este tipo de equipos.
• Figura 5. Existen industrias con alto grado de automatización, entre estas se encuentran las industrias: de textiles, plásticos, cerámica, alimenticia, transporte. La figura muestra curvas típicas de controladores electrónicos de velocidad (ASD adjustable speed drive) de convertidores AC/DC y maquinas robotizadas.

Un altísimo numero de cámaras de transformación en edificios comerciales, de viviendas e industrias al igual que en transformadores trifásicos que alimentan a circuitos secundarios de redes e distribución tienen la conexión delta en el primario y estrella con conexión a tierra en el lado secundario. Si se observa en muchos de los espectros de frecuencia armónica de las figuras mostradas anteriormente se puede notar que las armónicas que más incidencia tienen en la forma de onda característica, además de la componente fundamental, son la tercera, quinta y séptima armónica.

Si consideramos que la conexión delta tiene la particularidad de cancelar la tercera armónica de corriente, entonces como consecuencia directa de este fenómeno se puede presumir que en los alimentadores primarios existirá un alto grado de quintas, séptimas y otro orden superior de armónicas presentes en el espectro de la corriente que llega a las subestaciones de distribución. Experimentalmente se ha comprobado que efectivamente así sucede, la figura 6 es un ejemplo de esta tendencia, estas curvas se han encontrado en una subestación que alimenta a un sector comercial y donde existen también edificios de oficinas.

Las corrientes en un primario conteniendo quintas, séptimas y otras armónicas a la larga producen distorsión en el voltaje, es decir se degrada la calidad de energía que se suministra al cliente.

En casi toda red de distribución la presencia de la quinta armónica es un factor común. La contaminación armónica en el voltaje es una gran preocupación por parte de las empresas eléctricas y es por ello que en la actualidad se recomienda realizan estudios de flujos de potencia considerando cargas no lineales, pues al existir frecuencias superiores a la fundamental se produce un caldo de cultivo para que se den nuevos problemas de orden técnico como la resonancia entre capacitores de las subestaciones, transformadores de potencia, el sistema de subtransmision y distribución. Es preocupante también que las armónicas producidas desde el sistema de distribución lleguen a las centrales de generación eléctrica cercanas al sistema. La figura 8 muestra un ejemplo de lo anterior.

La corriente armónica puede producir micro torques que reducen a la larga la vida útil de las unidades generadoras.

3. Factor de potencia

Durante mucho tiempo se han fabricado equipos que consideraban que todas las cargas eléctricas entregaban ondas sinusoidales similares a las del voltaje aplicado, bajo este supuesto el calcular el factor de potencia se constituía en una simple operación matemática.

Si se observan las corrientes generadas por varios equipos modernos, se puede apreciar que la forma de onda de la corriente en muchos de los casos se diferencian sustancialmente de la sinusoide, por lo que el concepto de factor de potencia se muestra conflictivo con las consideraciones anteriores.

Considérese un voltaje y corriente armónica representadas por las series de Fourier siguientes [1]:

(1)

(2)

El factor de distorsión armónica total (THD – total harmonic distorsión) esta definido por: (3)

de donde se puede relacionar el valor rms de la corriente y el voltaje con el THD correspondiente como:

(4)

El conocido factor de potencia (verdadero) se lo define como la relación entre la potencia promedio y la potencia aparente o:

(5)

antes de proceder a hacer los reemplazos, se deben tomar en cuenta las siguientes consideraciones:

• En muchos casos las potencias promedios de las componentes armónicas son muy pequeñas en comparación a la de la fundamental por lo que:

(6)

• Puesto que el TDH del voltaje se encuentra por lo general bajo un 10%, entonces de (4) se tiene:

Se obtiene entonces que

en (9) se define como desplazamiento del factor de potencia al aporte de la componente fundamental y como factor de potencia de la distorsión armónica al segundo termino de la relación propuesta. De (9) se puede ver que al anteriormente conocido "factor de potencia" se ha transformado en el desplazamiento del factor de potencia (Dpf) y al factor de potencia total ahora se le denomina simplemente factor de potencia (fp) o también verdadero factor de potencia (Tpf – True power factor).

Experimentalmente se ha podido comprobar que en muchos de los casos el factor de potencia (TPf) de cargas no lineales es menor al desplazamiento del factor de potencia (Dpf).

El factor de potencia de las cargas eléctricas consideradas anteriormente ha arrojado los siguientes resultados:

De los resultados obtenidos con respecto al verdadero factor de potencia se observa que la relación (8) se ajusta significativamente.

Muchos equipos de medición entre los cuales se encuentran medidores de KWh o KVARh y relés de protección de disco de inducción son utilizados en alto grado en sistemas de distribución tradicionales. Muchos de estos equipos de medición solamente registran la presencia de la componente fundamental (Dpf) dejando de lado las componentes armónicas, por lo que de existir corrientes armónicas generadas desde cargas no lineales se estaría incurriendo en registros erróneos del verdadero factor de potencia (Tpf), magnitudes de corriente y/o voltaje y los KWh o KVARh que consume el cliente.

4. Caracterización armónica

En todo sistema trifásico siempre se considero que las fases involucradas se encontraban desplazadas 120 grados entre sí y se asumía además que las componentes de secuencia positiva, negativa y cero no coexistían simultáneamente en el sistema, por lo que el análisis de componentes simétricas se lo hacia separadamente.

Como se ha podido comprobar experimentalmente cuando existen cargas no lineales las componentes de secuencia positiva, negativa y cero si pueden coexistir al mismo tiempo. Las componentes de secuencia cero no necesariamente pueden aparecer por efecto de cargas desbalanceadas.

Considérese los fasores de secuencia positiva como se muestra a continuación: Donde h es el orden de armónica a considerar. Para la componente fundamental (h=1) y se tiene las componentes de secuencia positiva. ejemplo para la quinta armónica (h=5) se tiene:

Estos fasores obtenidos con respecto a las componentes de secuencia positiva (h=1) corresponden a unas componentes de secuencia negativa, lo que significa que de existir esta armónica en la corriente o voltaje este actuara de acuerdo a su característica eléctrica. En un motor alimentado con voltaje conteniendo la quinta armónica creara un campo electromotriz contrario al generado por la frecuencia fundamental el cual se encontrara presente en el entrehierro produciendo un efecto de frenado. Como se menciona al analizar las cargas eléctricas, la quinta armónica (v, i) se encuentra presente a casi todo sistema de distribución tradicional por lo que un análisis del sistema de distribución bajo estas condiciones se torna algo complejo e interesante.

La tabla 10 muestra otros casos de armónicas.

Las armónicas de orden par por lo general no se presentan a menudo por lo que casi en todo los análisis armónico estos se circunscribe a analizar las armónicas impares.

Si se analiza el caso de una corriente armónica conteniendo terceras armónicas (h=3) se obtiene:

De existir una conexión estrella con aterramiento, todas las corrientes de secuencia cero fluirán hacia el neutro donde en el peor de los casos pueden sobrepasar el limite térmico del conductor. El voltaje neutro tierra en estas condiciones se vuelve preocupante, además de que se produce ruido electromagnético que pueden afectar a circuitos de comunicación.

5. Longitud de Primarios y perdidas técnicas

La longitud del alimentador primario es un parámetro importante en el diseño de las redes de distribución que sirven a los diferentes tipos de clientes. Las cargas no lineales al final de primarios de longitud relativamente larga (>5 Km) influyen en forma mas sustancial en incremento de las perdidas técnicas, en la distorsión armónica del voltaje y corriente que llegan a la barra de una subestación y en el comportamiento mismo del sistema.

La tabla 12 muestra un ejemplo de la variación de la distorsión armónica del voltaje y corriente para diferentes longitudes de un alimentador primario.

Los datos del circuito de la figura 10 se encuentran en el apéndice.

Los datos obtenidos del análisis de la figura 10 muestran que:

• A medida que la longitud del primario se incrementa la distorsión de la corriente como del voltaje lo hacen de igual forma.
• La presencia del capacitor en el punto de común acoplamiento de la red y las cargas en estudio, produce una resonancia armónica para cierta longitud del primario, en el caso analizado estas se producen para una longitud de primario de 15 Km ( 7° armónica) y 5 Km (11° armónica) (ver figura 12).
• Es de esperarse que las perdidas por efecto piel se incremente por efecto de la amplificación de la distorsión armónica. Experimentalmente en [2] se han obtenidos datos que relacionan la resistencia DC y la resistencia en condiciones AC, la tabla 14 muestra algunos datos.

La figura 11 muestra la corriente encontrada experimentalmente en un primario de gran longitud (> 100 Km.) la cual llega a una subestación de distribución.