Introducción a la Calidad del Servicio Eléctrico

1. Introducción a la Calidad del Servicio Eléctrico Dr. Julio Romero Agüero Comisión Nacional de Energía (CNE) Universidad Nacional Autónoma de Honduras (UNAH)

2. Índice • Calidad del Servicio Eléctrico (CSE) • Calidad del Servicio Técnico (CST) • Calidad del Producto Técnico (CPT)

3. Calidad del Servicio Eléctrico (CSE) • Existen diferentes definiciones para la CSE, dependiendo del punto de referencia (proveedores del servicio de energía eléctrica, clientes, fabricantes de equipo, etc.) • Desde el punto de vista de los clientes, se define como: “cualquier problema manifestado en la desviación de la tensión, corriente o frecuencia, respecto a sus valores nominales, que resulte en la falla u operación incorrecta de sus instalaciones o equipos”

4. La CSE se ha convertido en un tema estratégico para: • Proveedores del servicio de energía eléctrica (utilities) • Clientes (Ej. industrias) • Fabricantes de equipo eléctrico (compatibilidad electromagnética, normas internacionales) • Razones: • Reducción de costos causados por la pérdida de la continuidad del suministro y problemas de no-calidad • Reducción de costos relacionados con instalaciones sobredimensionadas y facturas de energía • Uso extensivo de equipo sensible a perturbaciones de tensión y/o generador de perturbaciones • Apertura de los mercados de energía eléctrica

5. Objetivos de la medición de la CSE: • Aplicación contractual (relación proveedor-cliente) • Mantenimiento correctivo: • Las perturbaciones pueden haber sido ignoradas o subestimadas • Las instalaciones pueden haber cambiado (nuevas cargas y/o modificaciones) • Optimización de la operación de las instalaciones eléctricas: se requiere de una correcta operación de los procesos y una sólida gestión de la energía para lograr ganancias en la productividad (economías operacionales y/o reducción de costos de operación)

6. Control estadístico: comparar el desempeño general de un sistema de potencia para planificar acciones preventivas, comparar la CSE de varias compañías de distribución en diferentes áreas geográficas • Comparar el desempeño de puntos individuales en el sistema de potencia: • Determinar el ambiente electromagnético en que una instalación futura o equipo operará. • Especificar y verificar los niveles de desempeño de un proveedor de energía eléctrica como parte de un contrato.

7. Componentes de la CSE: • Calidad del Servicio Técnico (CST): evalúa la frecuencia, duración y severidad de las interrupciones. Es la componente de la CSE que ha sido más estudiada en la literatura (reliability) • Calidad del Producto Técnico (CPT): evalúa la calidad de la onda de la tensión suministrada . Es la componente de la CSE más estudiada en la actualidad (power quality) • Calidad del Servicio Comercial (CSC): evalúa la calidad de la atención comercial brindada por los proveedores del servicio de energía eléctrica a sus clientes

8. Calidad del Servicio Técnico (CST) • Interrupción: la pérdida del servicio de uno o más clientes conectados al sistema de potencia (tensión menor al 10% de al tensión nominal) • Duración de la interrupción: el período de tiempo desde el inicio de una interrupción a un cliente, hasta que el servicio es restablecido a ese cliente • Interrupción sostenida: interrupción con duración mayor que un límite predefinido, usualmente comprendido entre 1 y 5 minutos

9. La CST evalúa el impacto de las interrupciones sostenidas sobre la CSE mediante: • Índices globales: miden la CST a nivel de sistema en función del número de clientes o demanda interrumpida • Ventaja: no se necesitan grandes inversiones para su control y evaluación • Desventaja: difícil detectar zonas de mala calidad • Índices individuales: miden la CST a nivel de cliente • Ventaja: evaluación de la CST a nivel de usuario final, permite detectar zonas de mala calidad • Desventaja: se necesitan inversiones importantes para su control y evaluación

10. Índices globales (IEEE Standard 1366-2003): • SAIFI (System Average Interruption Frequency Index): representa la frecuencia con que un cliente promedio experimenta una interrupción sobre un período de tiempo predefinido

11. SAIDI (System Average Interruption Duration Index): representa la duración total de las interrupciones que un cliente promedio experimenta sobre un período de tiempo predefinido

12. FMIK (Frecuencia Media de Interrupción por kVA): representa la frecuencia con que un kVA promedio experimenta una interrupción sobre un período de tiempo predefinido. Es equivalente al índice ASIFI (Average System Interruption Frequency Index)

13. TTIK (Tiempo Total de Interrupción por kVA): representa duración total de las interrupciones que un kVA promedio experimenta sobre un período de tiempo predefinido. Es equivalente al índice ASIDI (Average System Interruption Duration Index)

14. Índices individuales: • FIU (Frecuencia de Interrupciones por Usuario): número total de interrupciones que cada cliente experimenta sobre un período de tiempo predefinido • TIU (Tiempo de Interrupción por Usuario): número de interrupciones que cada cliente experimenta sobre un período de tiempo predefinido

15. Calidad del Producto Técnico (CPT) Los aspectos de la CPT de mayor interés son: • Variaciones de estado estable: • Regulación de tensión • Desbalance de tensión • Distorsión de la forma de onda • Variaciones rápidas de tensión (parpadeo o flicker) • Perturbaciones: • Transitorios • Variaciones de tensión de corta duración

16. Regulación de tensión: es la diferencia porcentual entre la tensión medida y la tensión nominal. • Si la variación de tensión excede los límites de magnitud (ANSI C84.1-1995) y duración (IEEE Standard 1159-1995) predefinidos se considera la presencia de sobretensión o subtensión

17. Vk Perfil de tensión diaria Sobretensión Rango de tensión admisible Vmax Vn Vmin Subtensión t • Por ejemplo, de acuerdo a IEEE Std. 1159-1995, si la tensión es mayor o menor que los límites admisibles durante más de 1 minuto se considera la presencia de una sobretensión o subtensión, respectivamente

18. Causas de la sobretensión: • Desconexión de grandes cargas • Variaciones en la compensación reactiva • Pobre capacidad de regulación de tensión • Posición incorrecta de cambiadores de derivación de transformadores • Causas de la subtensión: • Conexión de grandes cargas • Variaciones en la compensación reactiva • Pobre capacidad de regulación de tensión • Posición incorrecta de cambiadores de derivación de transformadores • Sobrecarga de circuitos

19. Desbalance de tensión: es la razón de la componente de secuencia negativa (o cero) respecto a la componente de secuencia positiva de la tensión • El desbalance de tensión también puede estimarse como la máxima desviación de tensión respecto al promedio de las tres fases, dividido entre el promedio de las tres fases (ANSI C84.1-1995)

20. Causas: conexión de cargas monofásicas en circuitos trifásicos • Efectos: sobrecalentamiento de máquinas asíncronas trifásicas, reducción de capacidad de transformadores, cables y líneas

21. Tensión de secuencia negativa Tensión de secuencia cero Tensión de secuencia positiva

22. Tendencia del desbalance para un alimentador residencial típico (en porcentaje) • Usualmente se establece Dt = 2% como valor límite para el desbalance de tensión a nivel de distribución

23. Distorsión de la forma de onda: • DC offset: presencia de tensión o corriente DC en un sistema de potencia AC • Causas: rectificación de media onda, perturbaciones geomagnéticas • Efectos: sobrecalentamiento y aumento de saturación de transformadores, problemas con el aislamiento

24. Fundamental con tercero y quinto armónicos • Armónicos: tensiones o corrientes sinusoidales cuyas frecuencias son múltiplos enteros de la frecuencia a la cual el sistema está diseñado a operar (50 o 60 Hz). Los armónicos se combinan con la tensión o corriente fundamental y producen distorsión de la forma de onda Forma de onda distorsionada

25. Para estudiar la distorsión armónica se utiliza la serie de Fourier: • Los niveles de distorsión armónica son caracterizados mediante: • Distorsión Armónica Total de Tensión (THDV) • Distorsión Armónica Total de Corriente (THDI)

26. Espectros armónicos y distorsiones totales armónicas de corriente (THDI) de cargas no lineales típicas

27. Forma de onda de corriente para carga no-lineal Forma de onda de corriente para carga lineal • Causas: operación normal de dispositivos no lineales, que demandan corrientes con forma de onda diferente que la de la tensión de suministro (Ej., cargas industriales, cargas domésticas con inversores)

28. Efectos de los armónicos de corriente: sobrecarga de neutros (armónicos múltiplos de tres), sobrecalentamiento de transformadores, sobrecarga de bancos de condensadores (resonancia)

29. Efectos de los armónicos de tensión: distorsión de tensión en PCC, sobrecalentamiento e incremento de pérdidas en motores de inducción

30. Límites: el IEEE Standard 519-1992 “IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems” propone los siguientes límites para THDI y THDV

31. Espectro de tensión • Interarmónicos: tensiones o corrientes sinusoidales cuyas frecuencias son múltiplos no enteros de la frecuencia a la cual el sistema está diseñado a operar (50 o 60 Hz) • Subarmónicos: interarmónicos con frecuencia menor que la frecuencia fundamental Motor de inducción (arranque) Espectro de corriente

32. Los interarmónicos pueden aparecer como frecuencias discretas o como un espectro completo de frecuencias Horno de arco Espectro de frecuencia Fluctuación de tensión

33. Índices: la distorsión interarmónica es caracterizada por los siguientes índices

34. Causas: cambios rápidos en la corriente demandada (fluctuaciones de tensión), conmutación asíncrona de dispositivos semiconductores en convertidores estáticos • Fuentes: cargas de arco variable (hornos de arco), motores de inducción, convertidores estáticos de frecuencia, señales de control mediante onda portadora (power line carrier) • Efectos: fluctuaciones de tensión y parpadeo, oscilaciones de baja frecuencia en sistemas mecánicos, interferencia con señales de control y protección, interferencia con señales de telecomunicaciones, saturación de transformadores de corriente

35. Límites: el proceso de normalización de los interarmónicos está iniciando, de acuerdo a las recomendaciones de la IEC, el nivel de las tensiones interarmónicas está limitado a 0.2% para el rango de frecuencias entre la componente DC y 2 kHz Distribución pública (MT) CENELEC (Standard EN 15060) Señales de control (IEC 61000-2-2: 2002)

36. Variaciones rápidas de tensión (parpadeo o flicker): variaciones sistemáticas de la envolvente de la tensión • Parpadeo se deriva del impacto de las variaciones de tensión en la intensidad luminosa • La variación de tensión es la respuesta del sistema de potencia a una carga variante • El parpadeo o flicker es la respuesta del sistema de iluminación observado por el ojo humano

37. Por encima de cierto umbral el parpadeo se vuelve molesto, esta molestia aumenta rápidamente con la amplitud de la variación (IEEE Std. 141-1993) • las fluctuaciones de tensión son debidas principalmente a cargas industriales variantes: máquinas soldadoras, hornos de arco y molinos de rodillo

38. Índices: • Severidad del parpadeo: intensidad de la molestia causada por el parpadeo definida por IEC 61000-4-15 y evaluada mediante los índices Pst y Plt • Pst: severidad del parpadeo de corta duración (medida en un período de 10 minutos) utilizando un “flickermeter” • Plt: severidad del parpadeo de larga duración (calculada a partir de una secuencia de 12 valores de Pst en un intervalo de 2 horas

39. Límites: • Niveles de planificación: utilizados para evaluar el impacto de cargas fluctuantes sobre el sistema • Niveles de compatibilidad: son los niveles debajo de los que no existirán quejas por fluctuaciones de tensión

40. Transitorios: Los transitorios pueden clasificarse como impulsivos y oscilatorios • Transitorios impulsivos: cambio repentino en la condición de estado estable de la tensión, corriente o ambos, que es unidireccional en polaridad (ya sea positivo o negativo) y con frecuencia diferente a la del sistema, Ej. 1.2/50 µs 2000V (descarga eléctrica)

41. Transitorios oscilatorios: consisten de una tensión o corriente cuyo valor instantáneo cambia de polaridad rápidamente. Pueden ser de: • Alta frecuencia (>500 kHz) – Ej. eventos de conexión y desconexión (switching) • Media frecuencia (5-500 kHz) – Ej. energización de bancos de condensadores (back-to-back) • Baja frecuencia (<5 kHz) – Ej. energización de bancos de condensadores y transformadores

42. Variaciones de tensión de corta duración: son variaciones de tensión repentinas y de corta duración. Generalmente son causadas por fallas y por la conexión o desconexión de grandes cargas. • Interrupciones: ocurre cuando la tensión decrece a menos de 0.1 pu, por un período menor a 1 min. Se clasifican como momentáneas (0.5 ciclos – 3 s) y temporarias (3 s – 1 min.) • Huecos de tensión: decrecimiento de la tensión entre 0.1 pu y 0.9 pu, por un período menor a 1 min. Se clasifican como instantáneos (0.5 – 30 ciclos), momentáneos (30 ciclos – 3 s) y temporarios (3 s-1 min.) • Picos de tensión: incremento de la tensión entre 1.1 pu y 1.8 pu, por un período menor a 1 min. Se clasifican como instantáneos (0.5 – 30 ciclos), momentáneos (30 ciclos – 3 s) y temporarios (3 s-1 min.)

43. Interrupción Hueco de tensión Pico de tensión

44. Curva Magnitud – Duración: Information Tecnology Industry Council (ITIC) 2.5 Total Events: 24 Events Violating ITIC Lower Curve: 10 2 Events Violating ITIC Upper Curve: 0 1.5 Voltage Magnitude (pu) 1 0.5 0 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 Duration (seconds) • Índices individuales: basados en número de eventos que exceden límites de curvas ITIC, CBEMA y SEMI

45. Curva Magnitud – Duración: Computer Bussiness Equipment Manufacturers Association (CBEMA)

46. Curva Magnitud – Duración: Semiconductor Equipment and Material International Group (SEMI) 1.2 Total Events: 24 Events Violating SEMI Curve: 7 1 0.8 0.6 Voltage Magnitude (pu) 0.4 0.2 0 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 Duration (seconds)

47. Índices globales: • SARFIX: System Average RMS Variation Frequency Index • SARFIITIC: System Average RMS Variation Frequency Index (ITIC) • SARFICBEMA: System Average RMS Variation Frequency Index (CBEMA) • SARFISEMI: System Average RMS Variation Frequency Index (CBEMA) • SIARFIX: System Instantaneous Average RMS Variation Frequency Index • SMARFIX: System Momentary Average RMS Variation Frequency Index • STARFIX: System Temporary Average RMS Variation Frequency Index

48. ¡GRACIAS! www.geocities.com/drjera