Introduccin

Herramientas para el anlisis

de calidad de voltaje

Fundamentos de la medicin de calidad de energa elctrica en concordancia con la Norma EN 50 160 y el Estndar CBEMA

Thomas Kahn, Master of Electrical Engineering ETH, LEM ELMES AG, CH-8808 PfffikonA mediados de 1994, una nueva Norma europea de Calidad para Energa Elctrica fue aprobada. La Norma EN 50160 define lmites y variaciones permitidas de la calidad de voltaje. Cules parmetros son relevantes, y cmo deben ser medidos ellos? El analizador MEMOBOX-686 mide la calidad de voltaje en relacin a la Norma EN50160. El nuevo y nico TOPAS 1000, un sistema moderno para el anlisis de perturbaciones, tambin captura en forma continua eventos transitorios registrados contra la curva lmite segn estndar CBEMA. El presente artculo provee la plataforma terica necesaria para demostrar las aplicaciones prcticas de ambos equipos.

Introduccin

Cada vez ms, nuestra vida cotidiana es gobernada por la electrnica. Para proporcionar un correcto funcionamiento de esta infraestructura electrnica en el sector industrial, as como en casa, existe una demanda creciente por un suministro de energa firme y de alta calidad. De otro lado, una interrupcin breve del suministro de voltaje puede ser desagradable y costosa. Por consiguiente, el conocimiento de antemano de la calidad de cualquier sistema elctrico se torna ms y ms importante.

La nueva Norma por Responsabilidad del Producto aumenta los derechos del consumidor; sobre todo con respecto a quejas, porque ahora el proveedor tiene que proporcionar las evidencias necesarias y no el cliente. El proveedor tiene que mostrarle al cliente, que el producto no tiene defectos. Pero qu es calificado como defectuoso? El Standard EN 50 160 descrito a continuacin, especifica lmites para la calidad del voltaje y proporciona al proveedor- en nuestro ejemplo la empresa elctrica- con una referencia vlida para asegurar la calidad de su producto.

El trmino "Calidad del Voltaje"

Idealmente, el voltaje del suministro es una onda seno perfecta con un valor eficaz de 115V y una frecuencia firme de 60Hz; no debe haber ninguna fluctuacin del voltaje, ni cadas repentinas de voltaje o interrupciones, ningn pico transitorio, sin importar el tipo de carga que sea conectada al sistema. En la prctica, sin embargo, el suministro de voltaje no estar ni cercano a este guin ideal. El Voltaje est sujeto a fluctuaciones que dependen de la impedancia del sistema y la cantidad de carga conectada. Frecuentes operaciones de conectar y desconectar cargas poderosas causara incremento del ndice flicker, que molesta a los dems usuarios. Conectar cargas grandes a menudo tambin causa cadas de voltaje que arriesgan la operacin fiable de otros sistemas, por ejemplo, computadoras. Un nmero creciente de cargas no lineales genera corrientes armnicas, que se transfieren va la impedancia del sistema de distribucin al voltaje (ley de Ohm). Los armnicos causan efectos colaterales no deseables como corrientes en el conductor Neutro, cargas adicionales para transformadores, o perturbaciones para otras cargas sensibles. El trmino genrico "Influencias en redes elctricas" representa la perturbacin de la calidad del suministro, causado por cargas. Se definen los valores lmites con respecto a influencias de la red en las normas pertinentes. Sin embargo, tambin se perturba la calidad del suministro por un generador defectuoso. Operaciones de conexin efectuadas, por ejemplo dentro del sistema de media y alta tensin, a menudo causan eventos transitorios o interrupciones breves.

Medir y registrar la calidad del suministro significa, por un lado, proporcionar una declaracin cuantitativa con respecto a los parmetros individuales, comparados con los valores lmites permitidos y, por otro, describir las causas de una perturbacin, y, si es posible, localizarlas.

Aqu, se diferencian dos tcnicas de la medicin:

1. Calidad de suministro

Se mide la calidad del voltaje en el punto de entrega al consumidor. Generalmente, ste es el medidor de energa. Se usa la medida principalmente para el anlisis de la calidad del voltaje suministrado por la empresa elctrica.

2. Investigacin del origen de Perturbaciones

En general, se lleva a cabo este tipo de medida, directamente en el lado de la carga, por ejemplo dentro de un edificio. Aqu, la causa de una perturbacin debe ser localizada.

A continuacin una descripcin de estas dos tcnicas de medicin. Primero, la medicin de la calidad del voltaje acorde a la Norma EN 50 160 usando el registrador MEMOBOX 686, y segundo, la captura de transitorios usando el analizador TOPAS 1000.

Resumen corto y Explicaciones de la Norma EN 50 160

Informacin general

El propsito de la Norma EN 50 160 "caractersticas del Voltaje de suministros elctricos en sistemas de la distribucin pblica" es especificar las caractersticas del suministro de voltaje con respecto a la forma de onda, el nivel de voltaje, la frecuencia y equilibrio de las tres fases en el punto de entrega al cliente. La meta es determinar valores lmites, bajo condiciones de operacin regular. Sin embargo, fallas repentinas llevaran a incrementar las perturbaciones en la red de distribucin del suministro elctrico. Un colapso del sistema de red ya no puede ser descrito eficazmente por medio de valores lmites. As no existira ninguna referencia en indicar los valores de lmite real. De acuerdo con la nueva Norma se establece justamente estos valores como lmites, que no es permitido excederlos durante 95% del perodo controlado.

Un ejemplo: Segn la Norma EN 50 160, los valores reales (promedio 10 minutos) de la 5ta. armnica deben estar debajo del 6% del Voltaje nominal UN (UN = 115 V) durante 95% del periodo semanal, bajo condiciones normales de operacin. Esto significa que, se debe medir continuamente valores promedios de 10 minutos para la 5ta. armnica, por ejemplo, durante por lo menos una semana, y subsiguientemente, estos valores son analizados estadsticamente, basndose en la llamada "curva de duracin".

Diagrama 1: Curva de duracin de serie de medidas de la 5ta armnica de voltaje

Para obtener la "curva de duracin" de un parmetro medido, se clasifica los valores que se miden durante una semana segn su magnitud y entonces se alinea uno despus del otro, encontrando el trazo de la curva de duracin (Diagrama 1). Basndose en este diagrama, es fcil afirmar qu magnitud (level) del parmetro en mencin corresponde a un porcentaje de mediciones del perodo de control (number of measured values). En el ejemplo del Diagrama 1, la curva de duracin ya sobrepasa el valor lmite del 6% del voltaje nominal UN con 70% de los valores medidos, es decir, slo 70% de todos los valores medidos estan debajo de ste lmite. El valor de perturbaciones correspondiente al 95% se lee directamente de la curva de duracin en la misma manera. En el ejemplo del Diagrama 1, este excede largamente el valor lmite de 6% de UN, as que se encuentra fuera de la Norma. Tambin vale decir, el descarte del 5% de los peores valores medidos excede an ms el parmetro observado fuera de la Norma.

Dependiendo del parmetro seleccionado, se debe medir los valores promedios del intervalo prescrito (longitud del intervalo = 3 segundos, 10 segundos y/o 10 minutos), o se debe grabar cada evento transitorio. stos valores promedios o eventos transitorios se deben determinar y registrar dependiendo del parmetro, durante un cierto perodo de observacin (1 da o 1 semana). La Tabla 2 muestra un resumen de los intervalos de medicin y perodos de observacin, que son especificados por la norma. Despus de realizadas las medidas por un perodo de observacin, se deben determinar las probabilidades de currencia respectivas de obtener variables moderadas y se comparan con los valores lmite de la norma.

Se debe mencionar, que la norma es aplicable solamente en condiciones regulares de operacin. No debe ser aplicada en situaciones excepcionales que se encuentren ms all del control del proveedor de energa, tal como condiciones de tormentas inusuales o desastres naturales. Ademas, la norma no debe ser aplicable a casos donde la planta del cliente no cumple las normas de operacin.

Los diversos parmetros de la Norma EN 50 160

La norma establece variaciones permisibles y valores lmites para los siguientes parmetros. Estos valores indicados se aplican al suministro de Baja Tensin y, con unas variaciones, al suministro de Media Tensin y proporcionan una primera visin sobre la Norma. Las caractersticas tcnicas precisas se pueden encontrar en la siguiente Norma.

Variaciones de voltaje

Esto significa incrementos o disminuciones del voltaje real debido a cambios de carga en la distribucin del suministro de electricidad. Variacin permisible: 10% de UN para el 95% de los valores medidos durante una semana. El voltaje nominal del suministro UN es 115 V.

Interrupciones cortas y largas del suministro de voltaje

En este caso la norma proporciona solamente valores de referencia. La norma se basa en la presuncin que interrupciones cortas del suministro de voltaje ocurren bajo condiciones regulares de operacin con una frecuencia de 10 a varias centenas de ocurrencias por ao. Aproximadamente 70% de estas interrupciones duraran menos que un segundo. Interrupciones largas del suministro de voltaje a menudo son causadas por factores externos que estn ms all del alcance de la Norma. Referencias para interrupciones largas no se proporcionan, porque varan significativamente dependiendo del pas y los medios usados.

Eventos (incrementos y cadas repentinas)

Una disminucin rpida de voltaje por debajo de un valor del 90% del voltaje nominal UN se llama una cada de voltaje. Las cadas de voltaje son causadas principalmente por defectos en las plantas de los clientes o en la red pblica. Son casi imprevisibles. En este caso la norma proporciona valores de referencia. El nmero de cadas de voltaje puede ser de 10 hasta 10'00.000 por ao. La mayora de tales eventos dura menos que un segundo y su nivel de reduccin raramente es debajo de un valor del 60% del voltaje nominal UN. Incrementos repentinos de voltaje (causado por ejemplo, al desconectar una carga grande) no deben exceder 10% por arriba del voltaje nominal.

Armnicos e Interarmnicos de voltaje

Armnicos de voltaje significa la presencia de voltajes sinusoidales con una frecuencia mltipleo entero de la frecuencia bsica. Los valores promedios de 10 minutos del voltaje armnico no debern exceder el lmite que se define en una tabla como porcentaje del voltaje nominal UN (por ejemplo, un valor de 6% para la 5ta armnica de voltaje) durante 95% de una semana.

La distorsin total de armnicos (THD; para definicin ver Norma) se forma por todos los voltajes de armnicos hasta el nmero ordinal 40 y no deber exceder un valor del 8% de la amplitud de la onda fundamental.

Flicker

Fluctuaciones rpidas del voltaje causan variaciones de la iluminacin, que pueden causar un fenmeno visualmente perceptible, que se llamar Flicker. Flicker excediendo un cierto valor lmite, perturba! Esta perturbacin aumenta rpidamente con la amplitud de las fluctuaciones. El ndice de severidad de Flicker para corto tiempo (Pst) se mide segn el estndar IEC 868 e IEC 1000-4-15 (se calcula el promedio cubico por 10 minutos; "Pst" significa tiempo corto). El ndice de severidad de Flicker por largo tiempo Plt (Plt significa tiempo largo) se calcula, tomando el promedio cbico de 12 valores Pst continuos (12 intervalos de 10 minutos = 1 intervalo Plt de 2 h). La intensidad de la fluctuacin no debe exceder un valor de Plt = 1 durante 95% una semana.

Desequilibrio del voltaje

El desequilibrio del voltaje es una condicin en una red trifsica, que se caracteriza por el hecho que los valores reales de los voltajes de Fase a Neutro o los ngulos elctricos entre las fases no son iguales. La Norma prescribe que los valores promedios de 10 minutos de los componentes del sistema con secuencia negativa no deben exceder el 2% de los componentes con secuencia positiva, relacionado al 95% de los valores medidos durante una semana. En una red trifsica equilibrada y optima los componentes del sistema con secuencia negativa son cero.

Telecomandos modulados en voltajes de suministro

Se trata de seales que estn sobremoduladas en el voltaje del suministro (seales de control en un rango de 110 a 3000 Hz y con una frecuencia portadora en un rango de 3 a 148,5 kHz) y se usa para el control remoto de operaciones de red. El 99% de los valores promedios de 3 segundos de la seal durante un da no deben exceder el valor lmite, que depende de la frecuencia; por ejemplo 5% del voltaje nominal UN para 1 kHz.

Frecuencia

El valor promedio de 10 segundos para variaciones sbitas de la frecuencia en redes con una conexin a un sistema combinado deben estar en un rango de 60 Hz +1% durante 95% de una semana.

Mediciones segn EN 50 160

La Norma implica altas exigencias al mtodo de medicin

Un control completo de la red segn EN 50 160 implica altas exigencias al mtodo de medicin. Se debe medir un gran nmero de parmetros de voltaje en forma continua (frecuencia, valores reales, cadas e incrementos de voltaje, interrupciones del voltaje, concentracin de armnicos de voltaje, ndice de severidad Flicker, etc.); y se deben grabar los valores medidos ininterrumpidamente por un perodo de por lo menos una semana. La cantidad de datos resultantes es considerable. Para supervisar todos los parmetros de la Norma EN 50 160, se debe grabar ms de 150 columnas de datos medidos (3 voltajes de fase, 3 x 40 armnicos de voltaje, 3 x 10 interarmnicos de voltaje, 3 ndices de flicker, desequilibrio) con 1.008 lneas de intervalos cada una (valores promedios de 10 minutos por un perodo de una semana). Finalmente, se debe convertir los datos de tal manera, que sea posible un anlisis eficaz y rpido de los valores medidos segn la Norma.

ParmetroMetodo de medicinIntervaloPeriodo de monitoreo

Variaciones de VoltajePromedio de los valores RMS instantneos (20-ms )Intervalos de 10 - minutos1 semana

Eventos repentinos en VoltajeDuracin y amplitudCapturado como evento individual1 da

Interrupciones de Voltaje DuracinCapturado como evento individual1 da

Armnicos e Interarmnicos de voltaje Promedio de valores RMS 200 ms (acorde a IEC 1000-4-7).Intervalo de 10-minutos1 semana

Flicker Pltndice severidad Flicker de corto tiempo (Pst) para 10 minutos (acorde a IEC 868 o IEC 1000-4-15).Promedio de 12 valores Pst (=2h intervalo)1 semana

DesequilibrioValor promedio de relacin entre componentes con secuencia negativa a secuencia positiva. Intervalo de 10-minutos 1 semana

Telecomandos Clasificacin de valores promedios de 3-segundos.Intervalo de 3-segundos 1 da

Frecuencia de redClasificacin de valores promedios de 10-segundos.Intervalo de 10-segundos1 semana

Tabla 2: Resumen de los parmetros medidos simultneamente

El MEMOBOX 686 se ha desarrollado especialmente para la investigacin de la calidad del suministro en concordancia a la Norma EN 50 160. Captura simultneamente todos los parmetros incorporados en la Norma. Se programa el MEMOBOX va un PC y se instala subsiguientemente en el punto de medicin. Durante la adquisicin de los datos no se requiere ningn PC. Una vez concluido el perodo de registro, se lee los datos con el PC y se analiza mediante el Software suministrado, acorde a los lmites incorporados en la Norma (permite programar Normas propias).

Figura 2: La herramienta para el anlisis de calidad del voltaje: MEMOBOX 686

Para el anlisis de una medicin, se requiere de un software de anlisis especial que tenga la habilidad de procesar un volumen alto de datos y que pueda presentar los resultados respectivos claramente para ser atendidos con facilidad. El ejemplo siguiente explica este proceso.

Anlisis de una medicin

La calidad del voltaje en un punto de medicin debe ser examinado con un enfoque especial en los armnicos y flicker (modelo de lampar 230V). Para este propsito se lleva a cabo con el MEMOBOX 686 un perodo de medicin de una semana. El software de anlisis representa el resultado como muestra la figura de abajo.

Figura 3: Apreciacin global de todos los parmetros usando el Software CODAM 686

Esta representacin grfica muestra ocho grupos de columnas, cada consta de una tres columnas (3 fases). Cada grupo de columnas representa un parmetro de la medicin, p. ej. Variaciones de voltaje o el ndice de severidad de Flicker. La altura de cada columna es automticamente relacionada al respectivo valor lmite, segn la Norma seleccionada. Si una columna individual excede la lnea lmite, ha sido excedido el valor permitido. Aqu, se diferencian dos casos posibles. Si slo la parte blanca de la columna excede la lnea lmite, menos del 5% de la medicin entera ha excedido el valor normal. Si la parte oscura de la columna tambin excede la lnea, se ha violado la norma porque el llamado valor 95% ha excedido el lmite (con 5% de descarte).

Con respecto al ejemplo precedente, la apreciacin global de la calidad del voltaje indica que los armnicos exceden el lmite especfico en las tres fases. La alta cantidad de eventos adems indica breves pero frecuentes cadas del voltaje.

El anlisis del espectro de la frecuencia detalla el nivel de los 40 armnicos individuales en las tres fases. Como en el grfico del resumen, tambin se relaciona la magnitud de las columnas de los armnicos individuales con el valor lmite de la norma. Los armnicos son muy altos. A partir de la 5ta armnica muchos armnicos exceden el valor lmite respectivo. La presencia de armnicos pares indica una carga desequilibrada y no-lineal. Sin embargo en redes trifsicas, sin Neutro los armnicos pares indican la presencia de fugas a tierra.

Figura 4: Espectro de Armnicas individuales 2da...40va

(Lmites incorporados de acuerdo a recomendaciones IEC)

El diagrama N 5 indica que el nivel de la 5ta armnica aument slo durante 2 horas. Consecuentemente, tiene que determinarse cal ser la carga conectada durante este perodo. Estos hallazgos ayudan a planificar las medidas correctivas especficas.

Figura 5: Diagrama excesivo de la 5ta armnica con el lmite marcado (6% de Un)

Anlisis del evento

El MEMOBOX 686 calcula cada 8.3ms el valor eficaz del voltaje tomando en cuenta cada muestra individual. Si el valor del voltaje promedio est encima o debajo del lmite definido segn EN 50 160, Un 10% el tiempo, duracin y el valor extremo son capturados. Estos eventos seran analizados en forma tabulada.

Figura 6: Tabla del DIS-DIP (clasificacin de Eventos excluye detalles)

Con respecto a los eventos, no se hace ninguna declaracin sobre la forma de onda.

La Norma EN 50160 no proporciona nada de informacin sobre lmites o tcnicas de medicin con respecto a los fenmenos transitorios.

Sin embargo, en el caso de una bsqueda detallada de perturbaciones, la observacin de la forma de onda puede proporcionar valiosa informacin sobre la fuente de interferencia. Cuando la forma de onda del transitorio es analizada, el instrumento de medicin requiere de un almacenamiento muy extensivo y alta capacidad de procesamiento. Por un lado estas habilidades incrementan inmensamente el precio del instrumento, y por otro, no es exigido para mediciones segn la Norma.

Instrumentos capaces de capturar fenmenos transitorios, se llaman registradores de transitorios.

El captulo siguiente describe el manejo y funcionamiento de tal instrumento.

Figura 7: QWave la solucin insuperable para subestaciones: simultaneidad de todos los parmetros, intervalos 10 y 15 minutos, interrupciones desde 10 ms hasta >3 minutos, frecuencia 1 y 15 minutos y desviacin de frecuencia.

Medir transitoriosTipos de eventos

Los Transitorios se describen como cambios rpidos de la forma de onda del voltaje y su valor eficaz (RMS). Fenmenos transitorios tambin se llaman eventos. Se pueden dividir los eventos de voltaje en tres tipos (ver tabla 2). Cada tipo tiene sus propias causas y caractersticas; el captulo siguiente proporciona una explicacin detallada.

Tipo I de eventos:Transientes de Voltaje entre 0.5us y 10 ms

Tipo II de eventos:Eventos de Voltaje / Interrupciones entre medio ciclo y 2 segundos (fallas tpicas en la forma de onda y variaciones bruscas del valor RMS).

Tipo III de eventos:Variaciones graduales de Voltaje (RMS) mayores a 2 segundos.

Con Eventos tipo I y III es til registrar simultneamente la corriente respectiva.

Tabla 2 Caracterizacin de eventos de Voltaje

La captura de Eventos de voltaje

Utilizando el analizador TOPAS 1000 como ejemplo, este captulo introduce un sistema capaz de realizar un anlisis continuo de los eventos. Los conceptos operacionales de ambos, el analizador TOPAS 1000 y el MEMOBOX 686, son exactamente los mismos. Se programa el analizador TOPAS 1000 va un PC y luego se instala en el punto de medicin previsto. Durante la adquisicin de datos no se requiere ningn PC. Una vez terminado el perodo de medicin programado, se transfiere los datos para ser analizados en el PC. Sin embargo, puede descargarse en cada instante datos preliminares, sin interferir el registro principal. Adems, la funcin de osciloscopio incorporado en el sistema, permite el anlisis de la forma de onda de corriente correspondiente, cuando existen transitorios.

Los eventos de voltaje son capturados usando los dos circuitos de medicin mostrados en la Figura 8. Despus de pasar por el divisor de voltaje de entrada, se divide la seal de medicin por medio de un filtro pasa-alto y un pasa-bajo. El circuito de baja frecuencia mide con un conversor analgico-digital de alta resolucin de 16 Bit y captura la seal con una resolucin de 167 valores de muestreo por ciclo. Esto se traduce a una frecuencia de muestreo de 10kHz.

El circuito de medicin de alta frecuencia digitaliza la seal de medicin con 10MHz. Puede capturar porciones de seal con una frecuencia hasta 5MHz. Se guardan los datos en la memoria cach. Si se descubre un evento, el sistema CPU del instrumento transfiere los datos de medicin de ambos canales, desde la memoria cach hacia el disco duro interno.

Figura 9 Registro de un proceso de arranque capturado con una frecuencia de muestreo de 10 kHz. El pico de corriente presente es aproximadamente 12 A pic. La cada del voltaje es obvia.

La calidad del detalle con respecto a un evento transitorio depende de la calidad del muestreo aplicado. Un muestreo de 10kHz da margen para la captura de transitorios e impulsos hasta una duracin mnima de 200 microsegundos. Esto es suficiente para el anlisis de transitorios causados por ej., por operar condensadores de compensacin o cuando se conecta una carga (ver Figura 9). Esta frecuencia de muestreo, sin embargo, no es suficientemente rpida para medir impulsos muy breves que ocurren en sistemas debido a cambios de cargas, por ejemplo cuando se conecta o desconecta motores y mquinas. El detector de valores cresta (picos) puede descubrir impulsos con una anchura mnima de 0,5 microsegundos (ver Figura 10), pero a veces no proporciona suficiente informacin detallada sobre la forma de onda.

Figura 10 Impulsos transientes de un molino de viento capturado con una frecuencia de muestreo de 10 kHz.

Para examinar un impulso ms estrechamente (Figura 11), se requiere tcnicas de captura anloga y digital ms rpidas. Por ejemplo, para capturar impulsos que duran slo 200ns, se requiere una frecuencia de muestreo de por lo menos 10MHz. Informacin sobre la forma de onda del impulso ayuda a determinar la causa de su origen.

Cuando se mide voltajes, se miden tambin las corrientes. Sin embargo, esto slo puede ser recomendado con frecuencias bajas. En un circuito de medicin de alta velocidad, ninguna mejora en resolucin se puede obtener para las corrientes, puesto que la respuesta de frecuencia lmite de las pinzas amperimtricas generalmente usadas (