Conceptos básicos de calidad de Energía
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Conceptos básicos de calidad de Energía
ATENCIÓN! Transitorios! ¡Daños en el aislamiento! ¡Avance de condensadores! ¡Fallos de la electrónica de potencia!
¿Que son los transitorios? Los transitorios son perturbaciones de tensión instantáneas con amplitudes significativas, altas velocidades de rampa y corta duración. La causa principal de los trastornos transitorios es el hecho de que los alambres, cables o líneas aéreas tienen su perfección finita, lo que hace que otros factores sean importantes, es decir, su resistencia, inductancia en serie, capacidad de los núcleos individuales y capacidad de conexión a tierra. Estos parámetros son muy predecibles y se tienen en cuenta durante la transmisión normal de energía eléctrica a una frecuencia de 50 o 60 Hz. Sin embargo, forman una estructura mucho más compleja (descrita por parámetros sustitutos de líneas largas) en caso de cambios muy rápidos en el potencial o el flujo de carga eléctrica. Resulta que las cargas eléctricas, que fluyen rápidamente a través de una línea tan larga y de múltiples segmentos, energizarán las secciones locales causando cambios instantáneos de tensión en los componentes individuales de esta estructura, complementando los parámetros básicos de tensión y corriente tanto 2
durante el suministro de energía a los dispositivos como durante generacion de energía. Estos eventos pueden tener la forma de pulsos únicos, por ejemplo 8/20 µs hasta varios kV, como es el caso de las descargas atmosféricas. También ocurren como eventos resonantes con frecuen-
Los transitorios son perturbaciones de tensión instantáneas con amplitudes significativas, altas velocidades de rampa y corta duración. cias de 30 kHz ... 200. La última característica de los transitorios es el hecho de que son causados por un ‘impulso’ único de potencia, que causa efectos adicionales y es sistemáticamente disipado por ellos, lo que resulta en el final de la interrupción (es). Por lo tanto, estas interferencias se denominan transitorias.
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Tres efectos negativos de los transitorios La primera fuente de transitorios, principalmente en tensión, incluye típicamente los efectos de conexión. Provocan una ecualización muy rápida de la distribución de carga, es decir, un flujo de corriente a corto plazo, incluso con valores bastante grandes. Esta corriente provoca efectos de tensión adicionales, superponiéndose a su forma de onda básica. Cuando un transforma-
tensiones tienen un impacto significativo en el aislamiento y el posible riesgo de un avance que cause fallas en la red. En este ejemplo, también se muestra el segundo transitorio. La activación de un transformador trifásico va acompañada de un flujo a corto plazo de altas corrientes de irrupción y un flujo excesivo del núcleo del transformador. Fig. 1b
Fig. 1a
Formas de onda del proceso de conexión: a.) Tensiones y corrientes de fase entre fases.
dor se conecta a una red de MT de 15 kV, se pueden observar algunos eventos característicos (Fig. 1). En el caso de tensiones medias y altas, el proceso de conexión va acompañado de una ruptura del arco que se produce antes de conectar los contactos del conector. Debido a las altas energías de este evento, el proceso de conexión se acompaña de peligrosas sobretensiones medidas relativas a tierra. El ejemplo presentado muestra que pueden superar considerablemente la amplitud de la tensión nominal entre fases de 21 kV, llegando incluso a -48 kV. En este caso, la duración total del transitorio causado por la conexión es de aprox. 2µs. A pesar de la muy corta duración, los valores instantáneos de las
Fig. 1c Formas de onda del proceso de conexión: b.) y c.) Valores instantáneos reales de las tensiones relativas a tierra capturados por un registrador de alta velocidad.
Las corrientes de sobreflujo inicial del núcleo (Fig. 2a) pueden causar distorsiones de tensión significativas (Fig. 2b) y resultar en un disparo injustificado de los dispositivos de protección contra sobrecorriente, interrumpiendo el proceso de activación normal debido a un ajuste incorrecto. Otra fuente frecuente de transitorios incluye la electrónica de potencia cada vez más común. 3
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Fig. 2 a.) y b.) Distorsiones transitorias de tensión causadas por la activación de un transformador de alta potencia.
Las soluciones modernas de semiconductores salida o, en casos extremos, su ausencia debido ofrecen una velocidad de conmutación muy alta que provoca un aumento de corriente de alta velocidad. La fugacidad en este caso debe entenderse como una interferencia que se desvanece, que se repite sin embargo en cada cambio de tecla. A menudo ocurre en el método común-
Fig. 3 Interferencias permanentes provocadas por la conmutación de la electrónica de potencia.
a soluciones económicas. El riesgo que genera este tipo de eventos es la transferencia de interferencias de los núcleos de alimentación a través de acoplamientos parásitos y ondas electromagnéticas. Estas interferencias perturban el funcionamiento de sensores, transmisores, seña-
Fig. 4 Perturbaciones esporádicas de UL1 aprox. 460.
mente utilizado para generar señales analógicas les de control para automatización industrial y mediante clave con contenido ajustable. Esto transmisiones de TI. Ciertas interferencias trifárequiere el uso de filtros EMC seleccionados sicas, incluso esporádicas, pueden alcanzar vacorrectamente en el lado de la red para evitar que las interferencias penetren en la fuente de alimentación (Fig. 3). La frecuencia de conmutación de 3 kHz es relativamente baja y puede resultar en una baja eficiencia de los filtros de 4
lores peligrosos con respecto a la tierra (Fig. 4). Otro ejemplo de un transitorio peligroso puede ser la activación de la tensión de salida en un UPS de alta reserva de energía (Fig. 5). En los
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Fig. 5 Activación peligrosa de la salida del UPS: a.) Forma de onda, b.) Registro rápido de transitorios (UL3 aprox. -580 V).
Fig. 6 Perturbación de forma de tensión.
primeros momentos de la puesta en marcha se pueden generar transitorios peligrosos con tensiones a tierra (Fig. 5b) que alcanzan los 580 V en una red de 230 V. Los transitorios de sobretensión son las principales amenazas para los dispositivos de protección contra sobretensiones y para el aislamiento de los condensadores, provocando en condiciones desfavorables estados de ruptura y emergencia.
alimentación típica de baja tensión y perturbaciones transitorias causadas por cortocircuitos en las líneas aéreas. Los ejemplos que se muestran en la Fig. 6 a la Fig. 8 se toman de redes de BT en condiciones climáticas muy adversas, principalmente vientos racheados. Un comienzo y un final claros de la perturbación, cerca del pico de tensión, puede indicar la perforación del aislamiento de aire por un objeto cerca de la línea eléctrica. Tal objeto puede ser, por ejemplo, ramas de los árboles.
El tercer caso de transitorios puede resultar Las sobretensiones transitorias, que exceden sorprendente, ya que se refiere a una fuente de significativamente los valores de amplitud de 5
Conceptos básicos de calidad de Energía tensión, deben ser suprimidas por los descargadores de sobretensiones en sistemas de energía eficientes. Sin embargo, trastornos muy frecuentes de este tipo, especialmente con descargas de alta potencia, pueden provocar un „desgaste” del varistor de sobretensión y la falta de una pro-
tección contra sobretensiones eficaz. Por tanto, es importante detectar y eliminar transitorios, antes de que provoquen daños en los sistemas de protección y, en consecuencia, un fallo inevitable del sistema. Fig. 7 Formando un arco en una rama cuando hace viento.
Fig. 8 Descarga de rayo en la línea de BT.
Algunas acciones simples para realizar diagnósticos y medir transitorios Las características descritas anteriormente, es decir, la tasa de cambios y su amplitud, pueden evitar que se noten todos los transitorios utilizando un analizador de calidad de energía estándar. La principal limitación es la frecuencia de muestreo, que define la frecuencia de lectura de los valores instantáneos que forman un conjunto de puntos que determinan la forma de la perturbación. La frecuencia de muestreo típica de los analizadores estándar está en el rango de 10 ... 50 kHz, que es 6
Conceptos básicos de calidad de Energía insuficiente para registrar de manera eficiente los cambios presentados en los ejemplos anteriores. La única solución confiable y efectiva es una función adicional de registrador de transitorios, ofrecida por ejemplo por los analizadores PQM-703/711. Permiten registrar transitorios con la frecuencia de muestreo hasta 10 MHz y un ancho de banda de 1,6 MHz. Esto significa que la descarga del rayo de 8/20 µs constará de 200 valores instantáneos. Para registrar transitorios utilizando analizadores PQM-703/711: 1. En la configuración de grabación de tensión, active la grabación de eventos transitorios (Fig.9): a) Establezca la frecuencia de muestreo según los eventos esperados: i. 10 MHz para descargas de rayos: registro de 2 ms de la forma de onda, ii. 1 MHz para interrupciones industriales de cuadros de distribución: registro de 20 ms de la forma de onda (1 período) iii. 0,1 MHz para eventos de baja frecuencia: registro de 200 ms de la forma de onda. b) Seleccione el umbral esperado para la activación de registros. c) Active la grabación de formas de onda y gráficos transitorios. d) En ajustes adicionales de la configuración, el usuario puede establecer el regulador de grabación al máximo. 2. Conecte el analizador, seleccionando el conductor PE y conecte los cables de prueba de tensión L1, L2 y L3. 3. Realizar grabación (START/STOP). 4. Lea los datos para analizarlos con el software Sonel Analysis. 5. En caso de problemas con el funcionamiento del analizador, utilice „Inicio rápido” y „Guía rápida”.
Fig. 9 Configuración de transitorios.
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Análisis de resultados de medición transitorios Después de cargar el archivo de medición que contiene los transitorios registrados, usando Sonel Analysis: 1. Seleccione la pestaña ‚Eventos’ y luego seleccione transitorios de otros tipos de eventos, 2. Busque en la lista de eventos el evento que desea analizar y, al hacer clic en el icono de forma de onda, abra formas de onda oscilográficas: a. La ventana ‚Forma de onda’ muestra el registro de tensiones y corrientes de interrupción con la frecuencia de muestreo básica de 10,24 kHz, b. La ventana ‚Transitorio’ muestra una imagen oscilográfica de tensiones a tierra con una frecuencia de muestreo seleccionada más alta. 3. Al cambiar la escala de tiempo y la escala vertical, puede ampliar las secciones de la grabación que le interesan, 4. Al establecer los marcadores 1., 2., 3. en el punto característico, como se muestra en la Fig. 1 a la Fig. 8, puede: a. Leer el tiempo y el valor del parámetro para cada uno de los 3 marcadores presentados por el icono de círculo con número, b. Sobre la base de las diferencias, se pueden determinar el intervalo de tiempo y los valores entre puntos individuales de la misma señal.
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