Tesis-MIE-Leonardo-Arroyo

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Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey
Campus Monterrey
Escuela de Ingeniería y Ciencias
Análisis de la calidad de energía de cargas conectadas
a la red eléctrica de Iberdrola en 13.8 kV y 110 kV
Tesis Presentada por
Leonardo Daniel Arroyo Cazares
Sometida a la
Escuela de Ingeniería y Ciencias
como un requisito parcial para obtener el grado académico de
Maestro en Ciencias
en
Ingeniería Energética
Monterrey, Nuevo León, Mayo 20, 2019
A mis padres David (†) y Blanca a quienes debo lo que soy y lo que puedo llegar a ser.
A mis hermanos Alejandra y Emilio, ustedes son mi motivación diaria.
A mi novia Lucy, gracias a tu compañía y afecto he mejorado como persona.
A todos aquellos amigos incondicionales que no me permitieron desistir.
A todos aquellos que me apoyaron en este reto
Reconocimientos
La realización de este trabajo no hubiese sido posible sin el valioso apoyo de muchas
personas e instituciones, a las cuales quiero honrar profundamente por su contribución.
A mi asesor, el Dr. Armando Rafael Llamas Terrés, le agradezco su disposición
y apoyo en el desarrollo de este trabajo, en el cual mostró una inigualable entrega y
pasión. Que su entrega por la enseñanza nunca desista.
Al Dr. Osvaldo Miguel Micheloud Vernackt y al Dr. Federico Ángel Viramontes
Brown, por darme la oportunidad de vivir esta nueva etapa de aprendizaje, por la
confianza depositada en mi persona, por su completa entrega para el beneficio de la co-
munidad científica, por su constante esfuerzo por expandir los horizontes del Consorcio
Empresarial, sin ustedes nada de esto seria posible.
A mis sinodales/revisores, por su interés en este proyecto y por dedicar una parte
de su tiempo en leer este trabajo y hacerme recomendaciones para la mejora del mismo.
Al Consorcio Empresarial, por promover la sinergia entre academia e industria
para el desarrollo de proyectos de investigación de alto impacto para el desarrollo tec-
nológico de México.
Al Tecnológico de Monterrey, por abrirme sus puertas y ampliar mis horizontes.
A Iberdrola Monterrey por la oportunidad de realizar un proyecto de esta mag-
nitud en sus instalaciones, además de su inmensa entrega y apoyo para lograr este
proyecto en tiempo y forma.
Al CONACYT, por el soporte económico brindado durante mis estudios.
v
Análisis de la calidad de energía de cargas conectadas
a la red eléctrica de Iberdrola en 13.8 kV y 110 kV
por
Leonardo Daniel Arroyo Cazares
Resumen
Los estudios de calidad de energía eléctrica son de gran importancia ya que permiten
realizar un diagnostico completo de una carga; en estos estudios/análisis se miden
ciertos parámetros eléctricos (voltajes, corrientes, armónicos, desbalances, factor de
potencia, etc.). Una vez obtenidas dichas mediciones es posible detectar problemas de
calidad de energía lo cual permite establecer planes de acción o medidas correctivas
de manera especifica (instalación de compensadores de voltaje, filtros de armónicas,
bancos de capacitores, etc.).
La empresa Iberdrola en conjunto con el Tecnológico de Monterrey, ha establecido
como una prioridad, el realizar un análisis de calidad de energía, esto como una nece-
sidad de conocer la calidad del suministro eléctrico y conocer su cumplimiento actual
con los requerimientos que establece el Código de Red Mexicano en materia de calidad
de energía eléctrica.
El objetivo de este trabajo es la implementación de una correcta metodología para
realizar un análisis de calidad de energía eléctrica y determinar si existe una buena
calidad de energía por parte de los centros de carga en la red eléctrica de la empresa
Iberdrola, esto en base a los parámetros de cumplimiento que establece el Código de
Red Mexicano y el estándar internacional EN 50160.
Para realizar dichos análisis es necesario contar con mediciones de voltajes y co-
rrientes; estas mediciones son realizadas en puntos o nodos previamente identificados
como estratégicos (en base a las cargas alimentadas en dicho lugar), con equipos como
los “power quality monitors”, los cuales obtienen muestras en el momento exacto cuando
se presenta un disturbio o desviación de los valores nominales de voltaje o corriente;
una vez obtenidas dichas muestras se proceden a realizar análisis estadísticos, con el
fin de determinar la distribución, periodicidad y magnitud de las desviaciones presen-
tadas durante el tiempo de muestreo de datos; lo cual permite determinar la calidad
de la energía del sistema analizado y emitir recomendaciones con base a la información
obtenida.
Índice general
Lista de Figuras xi
Lista de Tablas xv
Abreviaciones y Acrónimos xix
Variables y Símbolos xxi
Capítulo 1. Antecedentes 1
1.1. Justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3. Alcance y limitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.1. Calidad de energía y disturbios analizados . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1.1. Alcances del estándar EN 50160 . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1.2. Alcances del Código de Red . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4. Metodología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5. Plan de Trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Capítulo 2. Marco Teórico 11
2.1. Calidad de energía y estandarización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1. Propósito de la estandarización . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2. Estándares de compatibilidad electromagnética . . . . . . . . . 12
2.1.2.1. Niveles de compatibilidad electromagnética . . . . . . 12
2.1.2.2. Eventos y compatibilidad electromagnética . . . . . . . 14
2.2. Equipos de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3. Calidad de energía y disturbios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.1. Clasificación y afectaciones de disturbios bajo EN 50160 . . . . 15
2.3.1.1. Fenómenos continuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1.2. Clasificación de eventos . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.1.2.1. Efectos en el equipo electrónico sensible ante
eventos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4. Calidad de energía y Código de Red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
vii
2.4.1. Requerimientos Código de Red . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.1.1. Requerimientos de Tensión . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.1.2. Frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.1.3. Factor de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.1.4. Calidad de la energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.1.4.1. Distorsión armónica de corriente con respecto
a la demanda . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.1.4.2. Fluctuaciones de la tensión de suministro (“Flic-
ker”) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.1.4.3. Desbalance máximo de corriente . . . . . . . . 30
Capítulo 3. Análisis (método) 32
3.1. Percentil Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2. Tiempo de integración computacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3. Equipo de medición de calidad de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4. Arreglo de conexión de equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5. Análisis de disturbios y clasificación de eventos . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5.1. Análisis de los disturbios acorde al estándar EN 50160 . . . . . 39
3.5.1.1. Frecuencia del sistema de potencia . . . . . . . . . . . 39
3.5.1.2. Variaciones del voltaje de alimentación . . . . . . . . . 39
3.5.1.3. Severidad de “flicker” de lámpara . . . . . . . . . . . . 39
3.5.1.4. Desbalance de voltaje de alimentación . . . . . . . . . 40
3.5.1.5. Distorsión armónica de voltaje . . . . . . . . . . . . . 40
3.5.1.6. Distorsión armónica total de voltaje . . . . . . . . . . 40
3.5.2. Clasificación de eventos acorde al estándar EN 50160 . . . . . . 40
3.5.2.1. Interrupciones y “Dips” . . .. . . . . . . . . . . . . . 40
3.5.2.2. “Swells” de voltaje de alimentación . . . . . . . . . . . 41
3.5.2.3. Sobrevoltajes transitorios . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5.3. Análisis de los disturbios acorde al Código de Red . . . . . . . . 41
3.5.3.1. Tensión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5.3.2. Frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.5.3.3. Factor de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.5.3.4. Calidad de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.5.3.4.1. Distorsión armónica de corriente con respecto
a la demanda . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.5.3.4.2. Fluctuaciones de la tensión de suministro “flic-
ker” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.5.3.4.3. Desbalance máximo de corriente . . . . . . . . 45
3.6. Resumen de disturbios/parámetros analizados . . . . . . . . . . . . . . 45
viii
Capítulo 4. Resultados 47
4.1. Preliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.1. Demanda máxima de las cargas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.2. Niveles corriente corto circuito (ICC) . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.3. Razón de corto circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2. Resumen de resultados de estudios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Capítulo 5. Conclusiones y Trabajo Futuro 51
5.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1.1. Disturbios fuera de límites permitidos . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1.1.1. Severidad de flicker de lámpara Pst y Plt (EN 50160 y
Código de Red) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1.1.2. Requerimientos de factor de potencia (Código de Red) 52
5.1.1.3. Distorsión armónica de corriente con respecto a la de-
manda (Código de Red) . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.1.1.4. Distorsión armónica total de demanda “DATD” (Código
de Red) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.1.1.5. Desbalance máximo de corriente (Código de Red) . . . 53
5.1.2. Recomendaciones para mitigación o reducción de disturbios . . . 53
5.1.2.1. Mitigación “flicker” de lámpara . . . . . . . . . . . . . 53
5.1.2.2. Mejora del factor de potencia . . . . . . . . . . . . . . 54
5.1.2.3. Supresión de armónicas de corriente . . . . . . . . . . 54
5.1.2.4. Compensación de desbalances . . . . . . . . . . . . . . 55
5.1.2.5. Supresión de transitorios por conexión de capacitores . 55
5.2. Trabajo Futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.2.1. Desbalance en sistemas trifásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2.2. Modelos de desbalance de corriente . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.2.2.1. Desbalance ocasionado por la red de suministro . . . . 61
5.2.2.2. Desbalance ocasionado por la carga . . . . . . . . . . . 62
5.2.3. Identificación de la fuente principal de desbalance . . . . . . . . 62
5.2.4. Metodología para identificación de fuente de desbalance . . . . . 66
5.2.5. Implementación de metodología y comentarios . . . . . . . . . . 67
Apéndice A. Reportes de Calidad de Energía de centros de carga en
media tensión (13.8 kV) 75
A.1. Centro de carga 1 (CC1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
A.1.1. Estándar EN 50160 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
A.1.1.1. Fenómenos continuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
A.1.1.2. Clasificación de eventos . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
A.1.2. Código de Red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
ix
A.2. Centro de carga 2 (CC2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
A.2.1. Estándar EN 50160 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
A.2.1.1. Fenómenos continuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
A.2.1.2. Clasificación de eventos . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
A.2.2. Código de Red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
A.3. Centro de carga 3 (CC3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
A.3.1. Estándar EN 50160 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
A.3.1.1. Fenómenos continuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
A.3.1.2. Clasificación de eventos . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
A.3.2. Código de Red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
A.4. Centro de carga 4 (CC4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.4.1. Estándar EN 50160 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.4.1.1. Fenómenos continuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.4.1.2. Clasificación de eventos . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
A.4.2. Código de Red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
A.5. Centro de carga 3 (CC5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
A.5.1. Estándar EN 50160 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
A.5.1.1. Fenómenos continuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
A.5.1.2. Clasificación de eventos . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
A.5.2. Código de Red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Apéndice B. Reportes de Calidad de Energía de centros de carga en alta
tensión (110 kV) 160
B.1. Centro de carga 3 (CC6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
B.1.1. Estándar EN 50160 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
B.1.1.1. Fenómenos continuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
B.1.1.2. Clasificación de eventos . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
B.1.2. Código de Red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Apéndice C. Eventos transitorios presenciados en tiempo de estudio 178
C.1. Centro de carga 1 (CC1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
C.2. Centro de carga 2 (CC2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
C.3. Centro de carga 4 (CC4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Bibliografía 183
Curriculum Vitae 188
x
Lista de Figuras
1.1. Cronograma de actividades para desarrollar la tesis . . . . . . . . . . . 9
2.1. Medición de voltaje en función del tiempo (PCC aleatorio) . . . . . . . 13
2.2. Funciones de probabilidad del voltaje en la Figura 2.1 . . . . . . . . . . 13
2.3. Forma de onda de 230V, 50Hz comparado con 10 V, 60Hz . . . . . . . 16
2.4. Representación gráfica de la distorsión armónica individual de voltaje . 19
2.5. Presencia de distorsión debido a armónicos en señal senoidal . . . . . . 20
2.6. Interrupción corta de voltaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.7. “Dip” instantáneo de voltaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.8. “Swell” de voltaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.9. Voltaje transitorio o impulso de voltaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.10. Curva ITIC o ITI (Desarrollada por el Consejo Industrial de Tecnología
de la Información) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1. Equipo Elspec Blackbox G4500 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2. Arreglo estrella 4 hilos con TP’s y TC’s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3. Diagrama de conexiones en celda de medición . . . . . . . . . . . . . . 38
5.1. Representación gráfica de los conjuntos de componentes simétricas . . . 58
5.2. Redes de secuencia para cargas conectadas en estrella o delta . . . . . . 60
5.3. Circuito equivalente para la identificación de la fuente de desbalance en
el punto de medición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.4. Modelos y tendencias de desbalance en sistemas trifásicos (indicando el
origen y tipo de modelo). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.5. Análisis para identificación de fuente de desbalance trifásico (CC1) . . 69
5.6. Análisis para identificación de fuente de desbalance trifásico (CC2) . . 70
5.7. Análisis para identificación de fuente de desbalance trifásico (CC3) . . 71
5.8. Análisis para identificación de fuente de desbalance trifásico (CC4) . . 72
5.9. Análisis paraidentificación de fuente de desbalance trifásico (CC5) . . 73
5.10. Análisis para identificación de fuente de desbalance trifásico (CC6) . . 74
xi
A.1. Distribución de la frecuencia del sistema en función del tiempo de estudio
(CC1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
A.2. Distribución del voltaje de alimentación en función del tiempo de estudio
(CC1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
A.3. Distribución de severidad de “flicker” en función del tiempo de estudio
(CC1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
A.4. Distribución de desbalance de voltaje en función del tiempo de estudio
(CC1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
A.5. Espectro armónico del voltaje con respecto a fundamental (CC1) . . . . 82
A.6. Distribución de “THD” en función del tiempo de estudio (CC1) . . . . . 83
A.7. Curva ITIC de condiciones transitorias (CC1) . . . . . . . . . . . . . . 86
A.8. Distribución del factor de potencia en función del tiempo de estudio (CC1) 87
A.9. Espectro armónico de la corriente con respecto a corriente de demanda
(CC1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
A.10.Distribución de DATD en función del tiempo de estudio (CC1) . . . . . 90
A.11.Distribución de fluctuaciones Pst en función de tiempo de estudio (CC1) 91
A.12.Distribución de fluctuaciones Plt en función de tiempo de estudio (CC1) 92
A.13.Distribución de desbalance de corriente en función del tiempo de estudio
(CC1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
A.14.Distribución de la frecuencia del sistema en función del tiempo de estudio
(CC2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
A.15.Distribución del voltaje de alimentación en función del tiempo de estudio
(CC2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
A.16.Distribución de severidad de “flicker” en función del tiempo de estudio
(CC2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
A.17.Distribución de desbalance de voltaje en función del tiempo de estudio
(CC2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
A.18.Espectro armónico del voltaje con respecto a fundamental (CC2) . . . . 99
A.19.Distribución de “THD” en función del tiempo de estudio (CC2) . . . . . 100
A.20.Curva ITIC de condiciones transitorias (CC2) . . . . . . . . . . . . . . 103
A.21.Distribución del factor de potencia en función del tiempo de estudio (CC2)104
A.22.Espectro armónico de la corriente con respecto a corriente de demanda
(CC2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
A.23.Distribución de DATD en función del tiempo de estudio (CC2) . . . . . 107
A.24.Distribución de fluctuaciones Pst en función de tiempo de estudio (CC2) 108
A.25.Distribución de fluctuaciones Plt en función de tiempo de estudio (CC2) 109
A.26.Distribución de desbalance de corriente en función del tiempo de estudio
(CC2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
A.27.Distribución de la frecuencia del sistema en función del tiempo de estudio
(CC3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
xii
A.28.Distribución del voltaje de alimentación en función del tiempo de estudio
(CC3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
A.29.Distribución de severidad de “flicker” en función del tiempo de estudio
(CC3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
A.30.Distribución de desbalance de voltaje en función del tiempo de estudio
(CC3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
A.31.Espectro armónico del voltaje con respecto a fundamental (CC3) . . . . 116
A.32.Distribución de “THD” en función del tiempo de estudio (CC3) . . . . . 117
A.33.Distribución del factor de potencia en función del tiempo de estudio (CC3)120
A.34.Espectro armónico de la corriente con respecto a corriente de demanda
(CC3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
A.35.Distribución de DATD en función del tiempo de estudio (CC3) . . . . . 123
A.36.Distribución de fluctuaciones Pst en función de tiempo de estudio (CC3) 124
A.37.Distribución de fluctuaciones Plt en función de tiempo de estudio (CC3) 125
A.38.Distribución de desbalance de corriente en función del tiempo de estudio
(CC3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
A.39.Distribución de la frecuencia del sistema en función del tiempo de estudio
(CC4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.40.Distribución del voltaje de alimentación en función del tiempo de estudio
(CC4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
A.41.Distribución de severidad de “flicker” en función del tiempo de estudio
(CC4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
A.42.Distribución de desbalance de voltaje en función del tiempo de estudio
(CC4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
A.43.Espectro armónico del voltaje con respecto a fundamental (CC4) . . . . 132
A.44.Distribución de “THD” en función del tiempo de estudio (CC4) . . . . . 133
A.45.Curva ITIC de condiciones transitorias (CC4) . . . . . . . . . . . . . . 136
A.46.Distribución del factor de potencia en función del tiempo de estudio (CC4)137
A.47.Espectro armónico de la corriente con respecto a corriente de demanda
(CC4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
A.48.Distribución de DATD en función del tiempo de estudio (CC4) . . . . . 140
A.49.Distribución de fluctuaciones Pst en función de tiempo de estudio (CC4) 141
A.50.Distribución de fluctuaciones Plt en función de tiempo de estudio (CC4) 142
A.51.Distribución de desbalance de corriente en función del tiempo de estudio
(CC4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
A.52.Distribución de la frecuencia del sistema en función del tiempo de estudio
(CC5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
A.53.Distribución del voltaje de alimentación en función del tiempo de estudio
(CC5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
xiii
A.54.Distribución de severidad de “flicker” en función del tiempo de estudio
(CC5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
A.55.Distribución de desbalance de voltaje en función del tiempo de estudio
(CC5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
A.56.Espectro armónico del voltaje con respecto a fundamental (CC5) . . . . 149
A.57.Distribución de “THD” en función del tiempo de estudio (CC5) . . . . . 150
A.58.Distribución del factor de potencia en función del tiempo de estudio (CC5)153
A.59.Espectro armónico de la corriente con respecto a corriente de demanda
(CC5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
A.60.Distribución de DATD en función del tiempo de estudio (CC5) . . . . . 156
A.61.Distribución de fluctuaciones Pst en función de tiempo de estudio (CC5) 157
A.62.Distribución de fluctuaciones Plt en función de tiempo de estudio (CC5) 158
A.63.Distribución de desbalance de corriente en función del tiempo de estudio
(CC5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
B.1. Distribución de la frecuencia del sistema en función del tiempo de estudio
(CC6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
B.2. Distribución del voltaje de alimentación en función del tiempo de estudio
(CC6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
B.3. Distribución de severidad de “flicker” en función del tiempo de estudio
(CC6) . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
B.4. Distribución de desbalance de voltaje en función del tiempo de estudio
(CC6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
B.5. Espectro armónico del voltaje con respecto a fundamental (CC6) . . . . 167
B.6. Distribución de “THD” en función del tiempo de estudio (CC6) . . . . . 168
B.7. Distribución del factor de potencia en función del tiempo de estudio (CC6)171
B.8. Espectro armónico de la corriente con respecto a corriente de demanda
(CC6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
B.9. Distribución de DATD en función del tiempo de estudio (CC6) . . . . . 174
B.10.Distribución de fluctuaciones Pst en función de tiempo de estudio (CC6) 175
B.11.Distribución de fluctuaciones Plt en función de tiempo de estudio (CC6) 176
B.12.Distribución de desbalance de corriente en función del tiempo de estudio
(CC6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
C.1. Eventos transitorios presenciados en la fecha 30/07/2018 (CC1) . . . . 179
C.2. Eventos transitorios presenciados en la fecha 04/08/2018 (CC2) . . . . 180
C.3. Eventos transitorios presenciados en la fecha 06/08/2018 (CC2) . . . . 181
C.4. Eventos transitorios presenciados en la fecha 26/08/2018 (CC4) . . . . 182
xiv
Lista de Tablas
2.1. Valores de armónicos individuales de voltaje en terminales de alimenta-
ción hasta orden 25 en porcentaje de voltaje fundamental (Media Tensión
1 kV – 36kV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2. Valores de armónicos individuales de voltaje en terminales de alimenta-
ción hasta orden 25 en porcentaje de voltaje fundamental (36 kV – 150
kV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3. Valores máximos y mínimos de tensión que deben soportar los centros
de carga (extracto) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4. Valores máximos y mínimos de tensión en porcentaje de tensión que
deben soportar los centros de carga (extracto) . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5. Valores máximos y mínimos de tensión que deben soportar los centros
de carga hasta por 20 minutos (extracto) . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6. Valores máximos y mínimos de tensión en porcentaje de tensión que
deben soportar los centros de carga hasta por 20 minutos (extracto) . . 26
2.7. Valores de frecuencia máxima y mínima que debe soportar el centro de
carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.8. Limites de distorsión armónica máxima permisible en corriente para ten-
siones menores o iguales a 69 kV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.9. Limites de distorsión armónica máxima permisible en corriente para ten-
siones mayores de 69 kV a 161 kV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.10. Limites de fluctuación de tensión (extracto) . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.11. Desbalance máximo permitido en la corriente en el punto de acometida 30
3.1. Resumen de requerimientos para parámetros analizados . . . . . . . . . 46
4.1. Demandas máximas medidas en cargas durante tiempo de estudio . . . 48
4.2. Corrientes de demanda máxima en cargas durante tiempo de estudio . 48
4.3. Corrientes de corto circuito en PCC de las cargas analizadas . . . . . . 48
4.4. Razón de corto circuito en las cargas analizadas . . . . . . . . . . . . . 49
4.5. Resumen de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
A.1. Resultado de la frecuencia del sistema de potencia (CC1) . . . . . . . . 77
xv
A.2. Resultado de variaciones del voltaje de alimentación (CC1) . . . . . . . 78
A.3. Resultado de severidad de “flicker” (CC1) . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
A.4. Resultado de desbalance de voltaje (CC1) . . . . . . . . . . . . . . . . 80
A.5. Resultado de distorsión armónica individual de voltaje (CC1) . . . . . 81
A.6. Resultado de distorsión armónica total de voltaje (CC1) . . . . . . . . 83
A.7. Resumen de eventos presenciados durante periodo de estudio (CC1) . . 84
A.8. Resultado de tensiones en estado operativo normal (CC1) . . . . . . . . 85
A.9. Resultado de frecuencia en tiempo permanente (CC1) . . . . . . . . . . 86
A.10.Resultado de factor de potencia con metodología de promedios (CC1) . 87
A.11.Resultado de factor de potencia con metodología de percentiles (CC1) . 87
A.12.Resultado de la distorsión armónica de corriente con respecto a la de-
manda (CC1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
A.13.Resultado de distorsión armónica total de demanda (CC1) . . . . . . . 90
A.14.Resultado de fluctuaciones de tensión Pst (CC1) . . . . . . . . . . . . . 91
A.15.Resultado de fluctuaciones de tensión Plt (CC1) . . . . . . . . . . . . . 92
A.16.Resultado de desbalance de corriente (CC1) . . . . . . . . . . . . . . . 93
A.17.Resultado de la frecuencia del sistema de potencia (CC2) . . . . . . . . 94
A.18.Resultado de variaciones del voltaje de alimentación (CC2) . . . . . . . 95
A.19.Resultado de severidad de “flicker” (CC2) . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
A.20.Resultado de desbalance de voltaje (CC2) . . . . . . . . . . . . . . . . 97
A.21.Resultado de distorsión armónica individual de voltaje (CC2) . . . . . 98
A.22.Resultado de distorsión armónica total de voltaje (CC2) . . . . . . . . 100
A.23.Resumen de eventos presenciados durante periodo de estudio (CC2) . . 101
A.24.Resultado de tensiones en estado operativo normal (CC2) . . . . . . . . 102
A.25.Resultado de frecuencia en tiempo permanente (CC2) . . . . . . . . . . 103
A.26.Resultado de factor de potencia con metodología de promedios (CC2) . 104
A.27.Resultado de factor de potencia con metodología de percentiles (CC2) . 104
A.28.Resultado de la distorsión armónica de corriente con respecto a la de-
manda (CC2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
A.29.Resultado de distorsión armónica total de demanda (CC2) . . . . . . . 107
A.30.Resultado de fluctuaciones de tensión Pst (CC2) . . . . . . . . . . . . . 108
A.31.Resultado de fluctuaciones de tensión Plt (CC2) . . . . . . . . . . . . . 109
A.32.Resultado de desbalance de corriente (CC2) . . . . . . . . . . . . . . . 110
A.33.Resultado de la frecuencia del sistema de potencia (CC3) . . . . . . . . 111
A.34.Resultado de variaciones del voltaje de alimentación (CC3) . . . . . . . 112
A.35.Resultado de severidad de “flicker” (CC3) . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
A.36.Resultado de desbalance de voltaje (CC3) . . . . . . . . . . . . . . . . 114
A.37.Resultado de distorsión armónica individual de voltaje (CC3) . . . . . 115
A.38.Resultado de distorsión armónica total de voltaje (CC3) . . . . . . . . 117
A.39.Resultado de tensiones en estado operativo normal (CC3) . . . . . . . . 119
xvi
A.40.Resultado de frecuencia en tiempo permanente (CC3) . . . . . . . . . . 119
A.41.Resultado de factor de potencia con metodología de promedios (CC3) . 120
A.42.Resultado de factor de potencia con metodología de percentiles (CC3) . 120
A.43.Resultado de la distorsión armónica de corriente con respecto a la de-
manda (CC3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
A.44.Resultado de distorsión armónica total de demanda (CC3) . . . . . . . 123
A.45.Resultado de fluctuaciones de tensión Pst (CC3) . . . . . . . . . . . . . 124
A.46.Resultado de fluctuaciones de tensión Plt (CC3) . . . . . . . . . . . . . 125
A.47.Resultado de desbalance de corriente (CC3) . . . . . . . . . . . . . . . 126
A.48.Resultado de la frecuencia del sistema de potencia (CC4) . . . . . . . . 127
A.49.Resultado de variaciones del voltaje de alimentación (CC4) . . . . . . . 128
A.50.Resultado de severidad de “flicker” (CC4) . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
A.51.Resultado de desbalance de voltaje (CC4) . . . . . . . . . . . . . . . . 130
A.52.Resultado de distorsión armónica individual de voltaje (CC4) . . . . . 131
A.53.Resultado de distorsión armónica totalde voltaje (CC4) . . . . . . . . 133
A.54.Resumen de eventos presenciados durante periodo de estudio (CC4) . . 134
A.55.Resultado de tensiones en estado operativo normal (CC4) . . . . . . . . 135
A.56.Resultado de frecuencia en tiempo permanente (CC4) . . . . . . . . . . 136
A.57.Resultado de factor de potencia con metodología de promedios (CC4) . 137
A.58.Resultado de factor de potencia con metodología de percentiles (CC4) . 137
A.59.Resultado de la distorsión armónica de corriente con respecto a la de-
manda (CC4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
A.60.Resultado de distorsión armónica total de demanda (CC4) . . . . . . . 140
A.61.Resultado de fluctuaciones de tensión Pst (CC4) . . . . . . . . . . . . . 141
A.62.Resultado de fluctuaciones de tensión Plt (CC4) . . . . . . . . . . . . . 142
A.63.Resultado de desbalance de corriente (CC4) . . . . . . . . . . . . . . . 143
A.64.Resultado de la frecuencia del sistema de potencia (CC5) . . . . . . . . 144
A.65.Resultado de variaciones del voltaje de alimentación (CC5) . . . . . . . 145
A.66.Resultado de severidad de “flicker” (CC5) . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
A.67.Resultado de desbalance de voltaje (CC5) . . . . . . . . . . . . . . . . 147
A.68.Resultado de distorsión armónica individual de voltaje (CC5) . . . . . 148
A.69.Resultado de distorsión armónica total de voltaje (CC5) . . . . . . . . 150
A.70.Resultado de tensiones en estado operativo normal (CC5) . . . . . . . . 152
A.71.Resultado de frecuencia en tiempo permanente (CC5) . . . . . . . . . . 152
A.72.Resultado de factor de potencia con metodología de promedios (CC5) . 153
A.73.Resultado de factor de potencia con metodología de percentiles (CC5) . 153
A.74.Resultado de la distorsión armónica de corriente con respecto a la de-
manda (CC5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
A.75.Resultado de distorsión armónica total de demanda (CC5) . . . . . . . 156
A.76.Resultado de fluctuaciones de tensión Pst (CC5) . . . . . . . . . . . . . 157
xvii
A.77.Resultado de fluctuaciones de tensión Plt (CC5) . . . . . . . . . . . . . 158
A.78.Resultado de desbalance de corriente (CC5) . . . . . . . . . . . . . . . 159
B.1. Resultado de la frecuencia del sistema de potencia (CC6) . . . . . . . . 162
B.2. Resultado de variaciones del voltaje de alimentación (CC6) . . . . . . . 163
B.3. Resultado de severidad de “flicker” (CC6) . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
B.4. Resultado de desbalance de voltaje (CC6) . . . . . . . . . . . . . . . . 165
B.5. Resultado de distorsión armónica individual de voltaje (CC6) . . . . . 166
B.6. Resultado de distorsión armónica total de voltaje (CC6) . . . . . . . . 168
B.7. Resultado de tensiones en estado operativo normal (CC6) . . . . . . . . 170
B.8. Resultado de frecuencia en tiempo permanente (CC6) . . . . . . . . . . 170
B.9. Resultado de factor de potencia con metodología de percentiles (CC6) . 171
B.10.Resultado de la distorsión armónica de corriente con respecto a la de-
manda (CC6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
B.11.Resultado de distorsión armónica total de demanda (CC6) . . . . . . . 174
B.12.Resultado de fluctuaciones de tensión Pst (CC6) . . . . . . . . . . . . . 175
B.13.Resultado de fluctuaciones de tensión Plt (CC6) . . . . . . . . . . . . . 176
B.14.Resultado de desbalance de corriente (CC6) . . . . . . . . . . . . . . . 177
xviii
Abreviaciones y Acrónimos
AT Alta Tensión (mayor a 35kV).
BT Baja Tensión (menor a 1kV).
CCn Centro de Carga n.
CEE Calidad de la energía eléctrica.
CENACE Centro Nacional de Control de Energía.
CENELEC Comité Europeo para la estandarización electrotécnica.
CFE Comisión Federal de Electricidad.
CHN Comisión Nacional de Hidrocarburos.
CRE Comisión Reguladora de Energía.
DATD Distorsión armónica total de corriente con respecto a la demanda.
EN “Europäischen Normen - European Standard”.
FP Factor de potencia.
IEC “International Electrotechnical Commission”.
IEEE “Institute of Electrical and Electronics Engineers”.
ITESM Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey.
ITIC “Information Technology Industry Council”.
LIE Ley de Industria Eléctrica.
LSPEE Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica.
MT Media Tensión (mayor a 1kV, pero menor a 35kV).
xix
PCC “Point of common coupling”.
PEGI Planta eléctrica de grupo industrial.
PIE Productor independiente de energía.
TC Transformador de corriente.
THD “Total harmonic distortion”.
TP Transformador de potencial.
xx
Variables y Símbolos
∆V/∆t Cambio de voltaje con respecto al tiempo.
µV Valor promedio del voltaje.
σV Desviación estándar del voltaje.
θi Ángulo de desfasamiento de corriente.
θv Ángulo de desfasamiento de voltaje.
Dmax Demanda máxima en las cargas.
IL Corriente máxima de demanda en el PCC.
Icc Corriente de corto circuito en el PCC.
Icc/IL Impedancia equivalente o razón de corto circuito en el PCC.
Pi Percentil de porcentaje i.
Pinst “Instantaneous Perceptibility”.
Plt “Long Term Perceptibility”.
Pst “Short Term Perceptibility”.
U1 Armónica fundamental de voltaje.
URMS_t Ventana de observación de voltaje en el tiempo t.
Uk Armónica de voltaje de orden K.
Un Voltaje nominal medido en el PCC.
Vnom Voltaje nominal entre líneas medido en el PCC.
h Orden armónico analizado.
xxi
Capítulo 1
Antecedentes
En el año 2013 en México es presentada la reforma energética, la cual modifica los
artículos 25, 27 y 28 de la constitución mexicana, con lo cual se establece la posibilidad
de otorgar contratos a empresas privadas, lo que permitiría mejorar la producción
de yacimientos de hidrocarburos en el territorio mexicano, además de establece a los
reguladores en materia energética, denominados Comisión Nacional de Hidrocarburos
(CHN) y Comisión Reguladora de Energía (CRE) los cuales se encargan la de regulación
y expedición de permisos [1].
Esta reforma energética tiene como principales objetivos: “el mejorar la economía
de las familias mexicanas (bajando tarifas eléctricas y de combustibles), aumentar la
inversión y empleos en el país [2]; como principal eje se impulsó el aumento de inversión
de la iniciativa privada en las diversas ramas de los energéticos, siendo de nuestro interés
el ramo eléctrico.
Aunque antes de la reforma ya existían empresas de energía eléctrica de iniciativa
privada en el país (después del año 1960 la participación de la iniciativa privada se vio
frenada hasta 1992, debido a la nacionalización de la industria eléctrica) esto debido a
la Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica (LSPEE), que permitía los esquemas
de autoabastecimiento, cogeneración, pequeña producción y productor independiente
de energía (PIE) [3] (esta ley fue derogada en el año 2014, para dar paso a las nuevas
reformas constitucionales).
La reforma energética del 2013 trajo consigo una mayor participación en el sector
eléctrico por parte de los inversionistas privados, esto mediante nuevos esquemas de
operación. Una de estas empresas de la iniciativa privada es Iberdrola.
Iberdrola es una empresa española establecida desde el año 1992, perteneciente
al ramo energético, específicamente dedicada a la producción de energía eléctrica y es
considerada una de las grandes empresas energéticas a nivel internacional [4].
El antecedente de Iberdrola en México viene de la mano de la planta eléctrica de
grupo industrial (PEGI) la cual actualmente es conocida como Planta de Cogeneración
de Monterrey, que a partir del año 2003 comenzó a suministrar energía a los usuarios de
PEGI; con el paso del tiempo se ha aumentado la infraestructura de la red eléctrica de
Iberdrola, añadiendo así múltiples plantas de generación a lo largo del país; con lo cual
1
hoy en día Iberdrola es el mayor productor privado de electricidad en México, además
de contar con la mayor red privada de distribución del país [5].
Es por esto que en aras de seguir manteniendo su gran presencia y altos estándares
de que la consolidan como una granempresa internacional, Iberdrola Energía Monte-
rrey en sinergia con el Tecnológico de Monterrey (ITESM), ha establecido como una
prioridad, el realizar un análisis de calidad de energía en diversas cargas pertenecientes
a su red privada en niveles de distribución y transmisión, esto como una necesidad de
conocer la calidad de su sistema eléctrico de cara a los lineamientos internacionales y
los requerimientos establecidos en el Código de Red Mexicano en materia de calidad de
energía eléctrica.
1.1. Justificación
La calidad de la energía eléctrica (CEE) es un término que se refiere a mantener la
forma sinusoidal de voltaje y corriente en los buses de distribución de potencia eléctrica,
a una dada magnitud y frecuencia [6]; por lo tanto, un problema de calidad de energía
es definido como cualquier problema manifestado en voltaje, corriente o frecuencia, que
resultan en una falla o mal funcionamiento de equipo, lo cual implica daño económico
o poner en riesgo la integridad del personal operativo [7].
La implementación de dicho análisis requiere de la instalación de equipo especia-
lizado para calidad de energía (“power quality analyzer”), el cual debe estar certificado
bajo normativas y estándares que establecen requerimientos de CEE, tal como lo es
el estándar internacional IEC 61000-4-30, el cual dicta las técnicas para medición y
pruebas correspondientes a los métodos de medición de calidad de energía.
Dicho equipo es instalado en el punto de común acoplamiento (PCC por sus siglas
en inglés) o también conocido como punto de acometida de las cargas analizadas, una
vez instalado el equipo, este se encarga de medir voltaje y corriente en todo momento
con el fin de empezar el análisis de CEE; el cual debe tener duración de al menos 7 días
de medición continua; una vez terminado el tiempo de estudio, se procede al análisis
de la información recolectada, con el fin de presentar los resultados de los distintos
parámetros que son comprendidos por la rama de investigación de la CEE.
Estos parámetros analizados en cada carga son observados bajo diversas normati-
vas internacionales que establecen los límites y niveles adecuados para cada parámetro
existente que es identificado como primordial para el estudio de la calidad de la energía;
en esta tesis se toman como referencias los siguientes estándares y especificaciones:
EN 50160 - Características de voltaje en redes públicas de suministro de electri-
cidad.
Código de Red Mexicano - Manual regulatorio de requerimientos técnicos para la
conexión de centros de carga, el cual a su vez toma información de:
2
• IEEE 519 - Practicas recomendadas y requerimientos para control armónico
en sistemas eléctricos de potencia.
• IEC 61000-3-7 - Evaluación de límites de emisión para la conexión de insta-
laciones fluctuantes a sistemas de potencia en MT, AT y EAT.
• CFE L0000-45 - Desviaciones permisibles en las formas de onda de tensión
y corriente en el suministro y consumo de energía eléctrica.
Estos estándares y especificaciones analizan diversos parámetros de voltaje, co-
rriente y sus derivados, los cuales en conjunto pueden describir el nivel de CEE de
una carga analizada, lo que permitirá determinar el cumplimiento a las especificaciones
internacionales y mexicanas que son dictadas.
Al no cumplir con estas especificaciones no solo se hace un mal uso de la infra-
estructura de la red eléctrica, sino que se incurre en una falta administrativa ante el
órgano regulador mexicano (CRE) que establece sanciones basadas en el artículo 165
de la Ley de Industrial Eléctrica (LIE) [8], estas sanciones son multas monetarias que
van desde cincuenta hasta doscientos mil salarios mínimos (cuando se deja de obser-
var las disposiciones en materia de Calidad, Confiabilidad, Continuidad y seguridad
del Sistema Eléctrico Nacional) o dos al diez por ciento de los ingresos brutos percibi-
dos en el año anterior (cuando se incumplen las disposiciones en materia de Calidad,
Confiabilidad, Continuidad y seguridad del Sistema Eléctrico Nacional) [9].
Por estas razones un estudio/análisis de la CEE de las cargas conectadas a una
red eléctrica, es de vital importancia tanto para los usuarios (cargas) como para el
suministrador de la energía eléctrica.
Además que estos estudios permiten hacer planes de acción de manera mas efectiva
porque con las mediciones obtenidas es posible identificar las causas de los problemas
de calidad de energía y permiten buscar una solución factible [10].
1.2. Objetivos
Esta tesis presentará los resultados de los análisis de CEE realizados en 5 PCC de
diferentes cargas en nivel de tensión de distribución (13.8 kV) y en 1 PCC de una línea de
transmisión en tensión de 110 kV; además se emitirán conclusiones y recomendaciones
basadas en los resultados obtenidos, con el fin de mejorar aquellos aspectos donde
se visualice una mejora a la CEE de energía de las cargas analizadas, lo cual como
resultado final permitirá hacer un uso adecuado de la infraestructura eléctrica además
de acatar los requerimientos internacionales y nacionales correspondiente para evitar
multas y/o sanciones.
Contando con los siguientes objetivos específicos:
3
Obtención de mediciones para los parámetros de interés desde el punto de vista de
la CEE, todo esto a través de un equipo certificado “Clase A” bajo la normativa
IEC 61000-4-30.
Análisis de los datos obtenidos y realización de inferencias acerca de los datos con
el fin de comprobar que las mediciones fueron realizadas de manera correcta.
Creación de un formato de reporte que englobe todos los aspectos analizados,
bajo un esquema de fácil interpretación.
Emitir recomendaciones globales para cada uno de los aspectos analizados, dado
que no se conoce internamente la carga.
Exponer la importancia de realizar mediciones adicionales a las dictadas en el
Código de Red.
Justificar la importancia del estándar EN 50160, para las mediciones de voltaje
de suministro.
1.3. Alcance y limitaciones
Este trabajo se enfoca en la realización de un análisis de calidad de energía entre
el suministrador eléctrico (Iberdrola Generación Monterrey) y sus cargas conectadas
en niveles de tensión de transmisión (110 kV) y distribución (13.8 kV), esto con el fin
de identificar los niveles de cumplimiento ligados a parámetros de CEE (con base a el
estándar EN 50160) de cada una de los PCC donde se encuentran las cargas analizadas,
además de determinar el cumplimiento de los requerimientos establecidos por el Código
de Red Mexicano en materia de calidad de energía.
La implementación de este proyecto fue realizada en las instalaciones de Iberdrola
Monterrey, específicamente en su red eléctrica particular, la cual es una red que se
extiende a lo largo del área metropolitana de Monterrey, esta red cuenta con cargas
tales como Cigarrera de México (British American Tobacco), Aguas Industriales de
Monterrey (AIMSU), Alestra, Tecnológico de Monterrey, Sigma Alimentos, las plantas
propiedad de Sociedad Cuauhtémoc y Famosa (SCyF), algunas de las cargas de Ternium
Planta Guerrero, etcétera, todas estas conectadas en niveles de tensión de 110 kV y 13.8
kV.
Los centros de carga analizados en esta tesis serán enumerados de la forma “CCn”,
lo cual indica que se estará analizando un Centro de Carga n, donde n indica el orden
cronológico en que fue analizado dicho centro, teniendo así dos grupos de centros de
carga. Estos grupos están conformados de la siguiente manera:
Centros de carga en media tensión (13.8 kV): CC1, CC2, CC3, CC4 y CC5
4
Centros de carga en alta tensión (110 kV): CC6
Los lineamientos bajos los cuales fue realizado este estudio, además de los pará-
metros estudiados para el análisis, son aquellos establecidos por:
Estándar o normativa EN 50160 - Emitido por el Comité Europeo para la estan-
darización electrotécnica (CENELEC)
Código de Red Mexicano – Emitido por la Comisión Reguladora de Energía
(CRE)
• Manual regulatorio de requerimientos técnicos para la conexión de centros
de carga
A su vez estas especificaciones contienenreferencias a otras normativas con el fin
de expandir la compresión de los fenómenos observados, pero son estas mismas espe-
cificaciones las cuales dictan los límites y/o niveles de aceptación para los parámetros
medidos a través del estudio, es por ello por lo que son nuestras referencias base.
1.3.1. Calidad de energía y disturbios analizados
El estándar EN 50160 y a su vez el Código de Red establecen los disturbios que
deben ser analizados en un estudio o análisis de calidad de energía con el fin de cumplir
las especificaciones y dictaminar la calidad de energía de una carga de acuerdo con los
parámetros que son medidos y bajo el documento normativo que está siendo aplicado.
Debido a la aplicación de ambos criterios en el presente trabajo, se deben definir
los alcances de ambas especificaciones, en cuanto a los parámetros que serán medidos y
analizados, a continuación, se dará un listado de los fenómenos o disturbios analizados
bajo cada especificación, esto como primer acercamiento a lo que presenta esta tesis; la
descripción exacta y forma de análisis de los disturbios será presentada en la sección 2
la cual describe los métodos de análisis usados para este proyecto.
1.3.1.1. Alcances del estándar EN 50160
El estándar EN 50160, en su edición del año 2010, revisa las características de
voltaje en redes públicas de suministro de electricidad, en distintos niveles de voltaje
(BT, MT y AT) [11].
El estándar EN 50160 a su vez está basado en el estándar IEC 61000-4-30, el cual
establece las técnicas de medición y prueba, para los métodos de medición de calidad
de energía; de este último se establecen los métodos de como un equipo debe medir los
aspectos referidos a CEE (tipo de integración, muestreo, cálculos, etc.) [12].
De esta manera la forma de aplicar el estándar EN 50160 en un estudio de calidad
de energía es mediante un equipo especializado y certificado bajo la normativa IEC
5
61000-4-30 (Dispositivo Clase A), el cual será capaz de obtener la información necesaria
para aplicar los cálculos estadísticos y matemáticos que son requeridos para evaluar los
parámetros que deben ser analizados bajo este estándar.
Los parámetros que son analizados bajo el estándar EN 50160 pueden ser clasifi-
cados en dos tipos:
Fenómenos continuos: Son desviaciones de las condiciones nominales de ope-
ración y estos fenómenos son presenciados en el estado estable de cualquiera de
los parámetros (voltaje, corriente, frecuencia o sus derivados). Estos fenómenos
están descritos bajo el principio que una característica de voltaje, corriente o
sus derivados, nunca tienen un valor exactamente igual al valor nominal o valor
deseado [13].
Entre los fenómenos continuos analizados bajo el estándar EN 50160 se encuen-
tran:
• Frecuencia del sistema de potencia
• Variaciones del voltaje de alimentación
• Cambios rápidos de voltaje (opcional)
• Severidad de “flicker” de lámpara
• Desbalance del voltaje de alimentación
• Distorsión armónica de voltaje
• Distorsión armónica total del voltaje “THD”
Eventos: Los eventos son fenómenos los cuales solo suceden una ocasión durante
cierto tiempo, una interrupción del voltaje de alimentación es el mejor ejemplo
de esto. Por tal motivo los eventos son mejor descritos a través del tiempo en-
tre eventos, la duración, las características de los eventos (magnitud, ∆V/∆t,
etc.) [13].
Entre los eventos analizados bajo el estándar EN 50160 se encuentran:
• Interrupciones cortas del voltaje de alimentación
• Interrupciones prolongadas del voltaje de alimentación
• “Dips” o “sags” del voltaje de alimentación (Disminución del voltaje de ali-
mentación)
• “Swells” del voltaje de alimentación (Aumento del voltaje de alimentación)
• Sobrevoltajes transitorios
Es importante aclarar que este estándar solo revisa características con función al voltaje
de suministro, existen otros estándares los cuales se encargan de las características de
corriente o potencia, tal como lo es el estándar IEEE-519, el cual es incluido en el
Código de Red.
6
1.3.1.2. Alcances del Código de Red
El Código de Red es un documento expedido por la Comisión Reguladora de
Energía (CRE) en México en el año 2016, en este documento se expiden las disposiciones
que contienen los criterios de eficiencia, calidad, confiabilidad, continuidad, seguridad
y sustentabilidad del sistema eléctrico nacional (SEN) [8].
Del Código de Red se desprende la sección llamada “Manual regulatorio de re-
querimientos técnicos para la conexión de centros de carga”, este manual establece los
requerimientos con los cuales deben cumplir los centros de carga que se conecten al
SEN en alta tensión (AT) o en media tensión (MT), para garantizar la eficiencia, cali-
dad, confiabilidad, continuidad, seguridad y sustentabilidad del SEN y del suministro
eléctrico [8].
De todos los requerimientos para los centros de carga se pueden extraer aquellos
que tienen un nexo directo con criterios de CEE, además de los especificados directa-
mente para calidad de la energía. Los requerimientos analizados bajo el Código de Red
son:
Tensión
• Estado operativo normal
• Condiciones distintas al estado operativo normal
• Condiciones transitorias de variación de tensión, dentro de la “Región de
funcionamiento sin interrupción” de la curva ITIC
Frecuencia
Factor de potencia
Los requerimientos específicos para calidad de energía indicados en el capítulo
3.8 del “Manual regulatorio de requerimientos técnicos para la conexión de centros de
carga” establecidos por el Código de Red, establecen que en tanto no se cuente con
una norma oficial mexicana sobre calidad de energía, se deberán cumplir los siguientes
criterios:
Distorsión armónica de corriente
Distorsión armónica total de demanda
Fluctuación de tensión (“flicker”)
Desbalance de corriente1
1No existe un estándar que establezca límites para desbalance de corriente, sin embargo, el Código
de Red proporciona niveles de desbalance, sin indicar una referencia de literatura, en la sección 2.4.1.4.3
se explica esta incongruencia presentada en el Código de Red.
7
Como se menciona estos requerimientos son requisitos para centros de carga co-
nectados al SEN, podrían no aplicar para la red eléctrica de Iberdrola, dado que es
una red privada y solo existe un punto de unión de conexión al SEN en la planta
Dulces Nombres con un enlace en 400 kV; pero estos requerimientos están basados en
estándares y normativas internacionales que bajo rigurosos estudios han comprobado
que cumpliendo con las especificaciones mencionadas en el Código de Red se hace un
uso adecuado de la infraestructura eléctrica, lo que ayuda al sistema eléctrico a tener
un menor nivel de emisión de disturbios, lo cual se traduce como eficiencia, calidad,
confiabilidad, continuidad, seguridad del sistema eléctrico al cual se esté interconectado.
1.4. Metodología
Para la correcta implementación de este proyecto, se han dividido las acciones a
realizar en las siguientes categorías:
Trabajo previo, conocimiento de área de trabajo y alcance de la misma:
Estado del arte y recolección de información pertinente al proyecto; cumplimiento
con los requerimientos de seguridad para ingreso a instalaciones donde se realiza-
rán los estudios de CEE.
Determinación de puntos de medición/monitoreo: Propuesta de instala-
ción de equipo de monitoreo en las cargas de interés para Iberdrola Generación
Monterrey. 5 centros de carga en nivel de tensión de 13.8 kV y 1 centro de carga
en nivel de tensión de 110 kV.
Toma de datos a través de un equipo clase A (IEC 61000-4-30): Ins-
talación de equipo en plantas, durante al menos 8 días para la toma de datos
(requerimiento mínimo de 7 días con base al estándar EN 50160), configuración
de equipo con base a estándar EN 50160.
Procesamiento de los datos obtenidos: Después de realizar la desinstalación
de equipo se procederá al procesamiento de los datos obtenidos, con el fin de
realizar la integración de tiempo requerida por las especificaciones (mediciones
cinco minútales, diez minútales, etc.), dado queel equipo mide durante todo el
tiempo (obtiene información de cada ciclo de 60 Hz), debe especificarse un tiempo
de integración donde se realice un promedio de las mediciones obtenidas en cierto
lapso, con el fin de minimizar el tiempo computacional de procesamiento.
Obtención de indicadores de las características medidas (niveles de
compatibilidad): Con los datos procesados en un tiempo de integración espe-
cificado es posible representar los datos en forma de histograma con el fin de
8
observar el comportamiento en función del tiempo, además de obtener los niveles
de compatibilidad de los parámetros analizados.
Determinación del cumplimiento de calidad de energía (con base a
los niveles de compatibilidad de cada parámetro): Compilación de los
parámetros analizados y sus resultados para cada carga analizada, con respecto
a los niveles de aceptación indicados bajo las especificaciones revisadas en esta
tesis.
Realización de reportes con conclusiones y recomendaciones: Elabora-
ción de reportes para cada centro de carga, conclusiones del estudio realizado,
además de recomendaciones y sugerencias de cómo mejorar los aspectos de CEE
que fueron encontrados con resultados deficientes o que muestran una ventana de
oportunidad.
1.5. Plan de Trabajo
La figura 1.1 es un diagrama de Gantt que representa las labores a cumplir y
el periodo de tiempo aproximado en el que se debe de llevar a cabo el trabajo para
terminar satisfactoriamente la investigación.
Figura 1.1: Cronograma de actividades para desarrollar la tesis
Durante los primeros meses se hará la planeación de actividades, así como la
búsqueda de literatura correspondiente como estado del arte para el tema a desarrollar,
esto para tener un buen panorama de lo que se espera observar en campo y conocer todos
los posibles resultados que pueden ser obtenidos como productos de malas mediciones
9
o falsos positivos o negativos dados por los equipos. A continuación, se procederá al
reconocimiento del área de trabajo para así determinar la ubicación de instalación
de los equipos de monitoreo, además de la realización conjunta de la toma de datos,
esto dado que solo se cuenta actualmente con dos equipos de medición. Al mismo
tiempo se realizará la clasificación y normalización de los datos para posteriormente
analizarlos mediante métodos estadísticos y obtener los resultados finales. Seguido a esto
se evaluarán a detalle los resultados obtenidos para verificar la fiabilidad de estos para
seguido redactar el reporte que será presentado a Iberdrola como entrégale del proyecto,
este reporte tiene fecha limite diciembre 2018 dado que necesita ser evaluado por el
corporativo en las instalaciones del país de España. Durante todo el proceso de trabajo
se escribirá el texto correspondiente a la tesis para así tener tiempo suficiente para la
entrega de la misma en abril del año 2019 y presentar examen de grado en mayo del
mismo año. Se calcula un periodo de trabajo de un año para lograr satisfactoriamente
este proceso.
10
Capítulo 2
Marco Teórico
2.1. Calidad de energía y estandarización
En la justificación del proyecto en la sección 1.1 se definió que la calidad de la
energía eléctrica (CEE) es un término que se refiere a mantener la forma sinusoidal
de voltaje y corriente en los buses de distribución de potencia eléctrica, a una dada
magnitud y frecuencia [6].
Por consiguiente se plantea la interrogante, ¿Qué magnitud y frecuencia son las
correctas para voltaje y corriente?, es por esta razón que en múltiples áreas geográficas
se tienen valores promedio del voltaje de alimentación o de frecuencia del sistema
eléctrico; ya que no es posible mantener el voltaje en un valor especifico, este tiende a
variar a través del tiempo dentro de un rango de valores cercano a su promedio; esto es
lo mismo para la frecuencia del sistema eléctrico; la región occidental usa 60 Hz como
frecuencia fundamental del sistema, en su contra parte la región oriental usa 50 Hz
como valor promedio de frecuencia en sus sistemas eléctricos.
2.1.1. Propósito de la estandarización
Es por lo tanto que se ha implementado una estandarización alrededor del tema
de sistemas eléctricos, definiendo así patrones o valores determinados para parámetros
eléctricos (voltaje, corriente, frecuencia, etc.).
Los estándares y normativas son aquellos documentos que indican los márgenes de
operación nominales en los que está permitido que una magnitud varié (p. ej. voltaje o
frecuencia) [13]. Existen tres razones para el desarrollo de estándares correspondientes
a la calidad de energía:
Definir el entorno nominal de operación (p. ej. frecuencia nominal de 60 Hz y
voltaje nominal de 120 V)
Definir la termología usada (p. ej. Una interrupción momentánea es aquella donde
el voltaje RMS es menor a 1% del voltaje nominal por al menos 3 minutos)
11
Limitar la cantidad de problemas de CEE (p. ej. Durante el periodo de un mes,
95% de las mediciones cinco-minútales deberán mantener un factor de potencia
entre 0.95 en atraso y 1)
2.1.2. Estándares de compatibilidad electromagnética
Los estándares de CEE están basados en la compatibilidad electromagnética de
los dispositivos. La cual es la habilidad de un dispositivo, equipo o sistema de funcionar
satisfactoriamente en su entorno sin introducir disturbios electromagnéticos intolerables
a cualquier elemento en ese entorno [13].
De esto se puede extraer lo siguiente 1) un dispositivo debe operar normalmente
en su entorno, 2) no debe contaminar en exceso ese entorno y 3) existe un entorno
electromagnético. Este último es el que define los niveles de disturbio a los cuales el
equipo debe ser inmune.
2.1.2.1. Niveles de compatibilidad electromagnética
Los niveles de aceptación en fenómenos de CEE normalmente son llamados niveles
de compatibilidad electromagnética, estos niveles son definidos por las instituciones de
estandarización y están basados en métodos estadísticos implementados después de
múltiples mediciones.
El nivel de compatibilidad es tal que es un valor que es logrado por la mayoría de los
equipos la mayor parte del tiempo: típicamente 95% del equipo para un 95% del tiempo.
Pueden existir variaciones a estos niveles dado que son producto de procesos estocásticos
(puede ser representado por medio de curvas de probabilidad que cierto disturbio no
excederá un nivel dado). En dado caso que se requiera una mayor confiabilidad para
la operación de un dispositivo, puede ser seleccionado un nivel mayor que 95%, p. ej.
99.9% [13].
Estos niveles típicos provienen del análisis del comportamiento del parámetro que
está siendo medido; dado que cierto parámetro medido (p. ej. voltaje) tiene una ten-
dencia a ser igual a su valor nominal, aunque nunca es exactamente igual, entonces
se debe describir esta variación en un modelo estadístico, las funciones de densidad y
distribución de probabilidad son utilizadas para esto.
La Figura 2.1 muestra el comportamiento del voltaje medido en una carga aleatoria
en nivel de tensión nominal de 13.8 kV, se puede observar que la distribución del
voltaje sigue una distribución casi normal, donde es sabido que si los datos obtenidos
son descritos mediante una distribución normal su densidad y distribución puede ser
obtenida mediante ajustes estadísticos.
La densidad de probabilidad del voltaje medido es mostrada en la Figura 2.2a
se muestra la probabilidad que la magnitud de voltaje se encuentre dentro de cierto
12
rango, aunque es de mayor interés la probabilidad que la magnitud voltaje se encuentre
debajo o sobre cierto valor. La distribución de probabilidad (integral de la función de
densidad) da esta información directamente y es mostrada en la Figura 2.2b.
Figura 2.1: Medición de voltaje en función del tiempo (PCC aleatorio)
(a) Ajuste de densidad de probabilidad (b) Ajuste de distribución de probabilidad
Figura 2.2: Funciones de probabilidad del voltaje en la Figura 2.1
Con la información visual obtenida en las Figuras 2.1 y 2.2 y dado que el ajuste es
casi perfecto en la distribución acumuladade probabilidad, es posible decir que el voltaje
sigue una distribución normal, por lo cual es posible realizar inferencias rápidas sobre
los datos obtenidos sin la necesidad de analizar todos los datos medidos en un lapso,
todo lo anterior si se conoce el valor promedio del voltaje (µV ) y su desviación estándar
(σV ), puede determinarse el valor mínimo y máximo del voltaje con la utilización de
la ecuación 2.1, donde Z es el valor de correspondiente a una probabilidad P(Z) de la
normal estándar (µ = 0, σ = 1) [14].
Xi = µV + σVZ (2.1)
13
Esta metodología puede ser aplicada a casi cualquier parámetro correspondiente
a CEE, por el motivo que los fenómenos relacionados con voltaje, frecuencia, corriente,
etc. tienden a ser procesos estocásticos (estadísticos aleatorios) cercanos a un valor
conocido (voltaje, frecuencia promedio).
De las ilustraciones anteriores se puede observar que los valores mínimo y má-
ximo obtenidos son aquellos con menor probabilidad a ocurrir, es por esta razón que
los estándares y normativas establecen niveles de compatibilidad típicos del 95% de
los valores de disturbios medidos en un 95% del tiempo; ya que estos proporcionan
valores de disturbios con una mayor probabilidad de aparecer en una medición real
en campo. La mayoría de los disturbios analizados en este reporte toman un nivel de
compatibilidad de un 95% (normalmente llamado percentil 95%), esto de acuerdo con
las recomendaciones de los estándares IEC y EN. La metodología para la obtención de
los percentiles será presentada en la sección 3.
2.1.2.2. Eventos y compatibilidad electromagnética
En la sección 2.1.2.1 se describieron los niveles de compatibilidad para los distur-
bios que pueden ser analizados en un análisis de calidad de energía, sin embargo, estos
disturbios provienen de mediciones realizadas en todo intervalo de tiempo del estudio,
estos tipos de disturbios son aquellos llamados fenómenos continuos tal como fue expli-
cado en la sección 1.3.1.1 (Fenómenos continuos); en el caso de los eventos no ha sido
desarrollado un marco de referencia entorno a la compatibilidad electromagnética.
Para establecer un nivel de compatibilidad en cuanto a eventos sería necesario,
realizar un estudio estadístico que indique la cantidad de eventos experimentados por
diferentes cargas en un periodo de tiempo y comparar los resultados, pero debido a que
los eventos pueden ocurrir de manera aleatoria y bajo diferentes condiciones de manejo
de las cargas, el resultado no sería un estudio estadístico conciso [13].
En la sección 1.3.1.1 (Eventos) se describe los eventos como algo que solo suceden
una ocasión durante cierto tiempo, por lo tanto aplicar un criterio de 95% de los valores
de disturbios medidos en un 95% del tiempo, no es aplicable de ninguna manera; por
tal motivo los eventos son mejor descritos a través del tiempo entre eventos, la duración,
las características de los eventos (magnitud, ∆V/∆t, etc.)
2.2. Equipos de medición
Cualquier trabajo de medición requiere las herramientas adecuadas para realizar
dicho trabajo, a continuación, se mencionan algunos de los equipos más importantes
para la medición de los parámetros relacionados con CEE.
Multímetros: Equipo utilizado para la medición de voltajes, corrientes y resis-
tencias de elementos pasivos.
14
Osciloscopios: Son equipos que permiten la visualización de las señales de voltaje
y corriente, con lo cual es posible detectar la presencia de armónicos en las señales
antes mencionadas
Monitores de calidad de energía: Son equipos especializados, mejores que un
osciloscopio, dado que no realizan mediciones continuas, solo lo hacen ante eventos
relacionados con los disturbios de CEE, además de la posibilidad de analizar los
datos en el mismo dispositivo.
2.3. Calidad de energía y disturbios
Los problemas de calidad de energía ocurren debido a varios tipos de disturbios
eléctricos. La mayoría de los disturbios de CEE dependen de la amplitud de voltaje o
corriente y la frecuencia. Basados en la duración que presentan los disturbios de CEE,
estos se pueden dividir en corto, largo plazo (eventos); también pueden ser clasificados
por el tipo de disturbio presentado en estado estable (fenómenos). Los disturbios que
ocasionan degradación de la CEE pueden clasificarse como [15]:
Fenómenos continuos
• Desbalances (Secuencia negativa, secuencia cero)
• Distorsiones de forma de onda (Armónicos, ruido)
• Fluctuaciones de voltaje (Flicker de lámpara)
• Variaciones de frecuencia
• Variaciones de valor eficaz en estado estable (variaciones de ±10%, que no
pueden ser consideradas “sags” o “swells”)
Eventos
• Variaciones de valor eficaz de corta duración (“Sags”, “swells”, interrupciones)
• Variaciones de valor eficaz de larga duración (“Sags”, “swells”, interrupciones)
• Transitorios (Impulsos u oscilatorios)
2.3.1. Clasificación y afectaciones de disturbios bajo EN 50160
El objetivo de este estándar es definir las características del voltaje de alimenta-
ción, tomando en cuenta: frecuencia, magnitud, forma de onda y simetría de las fases de
voltaje (desbalances) [11]. Estas características son sujetas a variaciones durante opera-
ción normal del sistema de alimentación, las variaciones suceden en tiempos aleatorios,
con referencia a un punto de común acoplamiento (PCC) en un lugar aleatorio, con
15
respecto al tiempo y cuentan con un nivel de compatibilidad definido por el estándar;
por lo tanto, son clasificados como fenómenos continuos.
Algunos de los fenómenos que ocasionan disturbios en la magnitud del voltaje son
impredecibles, por lo cual no existe un valor para definir su nivel de compatibilidad,
esto es a lo que se llama evento.
Por consiguiente, es necesario introducir las definiciones de los fenómenos con-
tinuos y eventos que son analizados bajo el estándar y que son analizados bajo este
reporte, los cuales fueron introducidos en la sección 1.3.1.1, pero no fueron explicados
a detalle sobre sus características y afectaciones (sistema eléctrico o equipo).
2.3.1.1. Fenómenos continuos
Los fenómenos continuos especificados bajo el estándar EN 50160, sus caracterís-
ticas y afectaciones se presentan a continuación:
Frecuencia del sistema de potencia: Es la variación de la frecuencia nominal
del sistema eléctrico (50 o 60 Hz), estas variaciones de frecuencia pueden producir
cambios de velocidad en la rotación de motores, pueden causar el efecto “flicker”,
además pueden existir ocasiones en que falle el suministro eléctrico debido a las
variaciones de frecuencia [7].
Bajo condiciones normales de operación, el valor promedio de la frecuencia fun-
damental medida sobre 10s debe ser 50Hz o 60Hz ±1 % durante 99.5% de un año
y +4 %− 6 % durante 100% del tiempo especificado de prueba [11].
Figura 2.3: Forma de onda de 230V, 50Hz comparado con 10 V, 60Hz
Variaciones del voltaje de alimentación: Son disturbios que presentan dis-
minución o magnificación del suministro por tiempos mayores a un minuto y
presenciados normalmente en estado estable del sistema, bajo condiciones nor-
males, variaciones de ±15 % en el voltaje no produce daños en equipos, mas allá
de estos limites no se puede asegurar la operación correcta de los equipos, estas
variaciones pueden clasificarse de la siguiente manera:
16
• Bajo voltaje
• Sobre voltaje
Bajo condiciones normales de operación, durante cada periodo de una semana el
99% de los valores eficaces del voltaje de alimentación promediados cada 10 min
deben estar dentro del rango de Un ±10 % y todos valores eficaces del voltaje
de alimentación promediados cada 10 min deben estar dentro del rango de Un
±15 % [11].
Severidad de “flicker” de lámpara: Es una variación de voltaje con ampli-
tud suficiente para que se aprecie en las fuentes luminosas, en algunos casos se
aprecia el parpadeo en los monitores, puede ocasionar irritaciones a personas con
sensibilidad visual. Una fuente de parpadeo (“flicker”) es la operación de hornos
de arco eléctrico [16].
Es principalmente causado por la variación de la componentereactiva de la po-
tencia o debido a cargas fluctuantes; otras causas son las maniobras con interrup-
tores y capacitores, los cambios de tap en transformadores; también pueden ser
ocasionado por variaciones en la capacidad de generación (generaciones intermi-
tentes) [17].
El efecto “flicker” puede ser de dos tipos el llamado de corto plazo Pst (“Short Term
Perceptibility”) y el de largo plazo Plt (“Long Term Perceptibility”); la medición
de flicker es un problema difícil de medir [18], el estándar IEC 61000-4-15 [19]
resumen una metodología de medición, con un equipo dedicado a la medición de
“flicker” la cual realiza las siguientes acciones:
• Detectar las fluctuaciones de voltaje.
• Convertir los cambios de voltaje a un estimado de variación de intensidad
luminosa de un bulbo incandescente.
• Valorar este estimado de variación luminosa de acuerdo a la repetición sen-
sibles a la percepción humana.
• Determinar un valor instantáneo de “flicker” perceptible (Pinst).
• Derivar un indicador de corto plazo Pst sobre un periodo de diez minutos.
• Derivar un indicador de largo plazo Plt sobre un periodo de dos horas.
Si bien la medición de flicker de corto plazo (Pst) resulta difícil de calcular (por
lo cual es mejor medir tal parámetro con un equipo dedicado), el indicador de
17
largo plazo (Plt) se calcula con la ecuación 2.2.
Plt =
3
√√√√√√
12∑
i=1
P 3st(i)
12
(2.2)
Bajo condiciones normales de operación, durante cada periodo de una semana la
severidad de “flicker” de largo termino Plt causada por fluctuaciones de voltaje
debería ser menor o igual que 1 para el 95% del tiempo [11].
Desbalance del voltaje de alimentación: Es la desviación en magnitud de
voltaje de alguna de las 3 fases. Este disturbio ocurre debido al desbalance en
caídas de tensión de las líneas o a cargas desbalanceadas. Ocasiona par pulsante
en motores, calentamiento en la jaula de ardilla y degradación del tiempo de vida
de los motores. Durante los desbalances aparecen componentes de secuencia cero,
positiva y negativa [6].
Bajo condiciones normales de operación, durante cada periodo de una semana,
95% de los valores eficaces promediados cada 10 min de la componente de secuen-
cia negativa (con respecto a la fundamental) del voltaje de alimentación debe estar
en dentro del rango de 0% a 2% de la componente de secuencia positiva [11].
Distorsión armónica de voltaje: Son componentes alternantes de frecuencia
diferentes a la frecuencia fundamental de voltaje (50 o 60 Hz). También son de-
finidas como un voltaje senoidal con frecuencia igual a un múltiplo entero de la
frecuencia fundamental del voltaje de alimentación; puede ser evaluado indivi-
dualmente por su amplitud relativa (Uk) con relación al voltaje fundamental U1,
donde k es el orden armónico [6]. Las razones de la presencia de armónicos son
en su mayoría las cargas no lineales. Los armónicos tienen efectos adversos en
transmisión, distribución y generación de energía eléctrica, al igual que en los
equipos de los consumidores, provocan calentamiento en los aislamientos de los
conductores, sobre dimensionamiento de transformadores (factor K), además de
aumento en perdidas eléctricas [20].
Bajo condiciones normales de operación, durante cada periodo de una semana,
95% de los valores eficaces promediados cada 10 min de cada voltaje armónico
individual debe ser menor o igual a el límite de valor máximo mostrado en la
Tabla 2.1 (los valores están dados como porcentaje de la armónica fundamental),
esto para niveles de media tensión; para niveles de alta tensión los límites de
valores máximos están dados en la Tabla 2.2 [11].
18
Figura 2.4: Representación gráfica de la distorsión armónica individual de voltaje
Tabla 2.1: Valores de armónicos individuales de voltaje en terminales de alimentación
hasta orden 25 en porcentaje de voltaje fundamental (Media Tensión 1 kV – 36kV)
Armónicas impares
Armónicas pares
No múltiplos de 3 Múltiplos de 3
Orden h
Voltaje
Relativo (%)
Orden h
Voltaje
Relativo (%)
Orden h
Voltaje
Relativo (%)
5 6 3 5 2 2
7 5 9 1.5 4 1
1 3.5 15 0.5 6. . . 24 0.5
13 3 21 0.5
17 2
19 1.5
23 1.5
25 1.5
Distorsión armónica total de voltaje (“THD”): El índice THD se define
como la relación entre el valor eficaz del total de las componentes armónicas y
el valor eficaz correspondiente a la componente fundamental. Este valor es usual-
mente expresado como un porcentaje de la onda fundamental [6]. La ecuación
para el cálculo de la distorsión armónica total de voltaje es mostrada en (2.3),
donde k es el orden armónico.
THDU =
√√√√ 40∑
K=2
U2k
U1
100 % (2.3)
La distorsión armónica del voltaje de alimentación “THD” (incluyendo todos los
19
Tabla 2.2: Valores de armónicos individuales de voltaje en terminales de alimentación
hasta orden 25 en porcentaje de voltaje fundamental (36 kV – 150 kV)
Armónicas impares
Armónicas pares
No múltiplos de 3 Múltiplos de 3
Orden h
Voltaje
Relativo (%)
Orden h
Voltaje
Relativo (%)
Orden h
Voltaje
Relativo (%)
5 5 3 3 2 1.9
7 4 9 1.3 4 1
1 3 15 0.5 6. . . 24 0.5
13 2 21 0.5
17 No Def
19 No Def
23 No Def
25 No Def
Figura 2.5: Presencia de distorsión debido a armónicos en señal senoidal
armónicos hasta la armónica de orden 40) debe ser menor o igual a 8% durante
100% de cada periodo de una semana [11].
2.3.1.2. Clasificación de eventos
Los eventos especificados bajo el estándar EN 50160 y sus características se pre-
sentan a continuación:
Interrupciones del voltaje de alimentación: Es la disminución del valor
efectivo del voltaje de alimentación por debajo de 0.01 pu, como es visto en la
Figure 2.6, estos tienen diferentes duraciones dependiendo de su clasificación:
• Cortas: Duración de 0.5 ciclos hasta 3 minutos
• Prolongadas: Duración de mas de 3 minutos
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Figura 2.6: Interrupción corta de voltaje
“Dips” o “sags” del voltaje de alimentación: Es una disminución o reducción
en el valor efectivo del voltaje de alimentación, típicamente de magnitud de 0.1
a 0.9 pu, como es visto en la Figura 2.7.
Convencionalmente son clasificados con base a la duración y voltaje residual. El
voltaje residual del “dip” es definido como la diferencia entre el valor mínimo
de voltaje RMS durante el “dip” y el valor nominal del voltaje. Los cambios de
voltajes donde no se reduce la magnitud a menos de 0.9 pu no son considerados
“dips” [11].
Figura 2.7: “Dip” instantáneo de voltaje
“Swells” del voltaje de alimentación: Es el aumento en el valor efectivo del
voltaje de alimentación, típicamente de magnitud mayor a 1.1 pu, como es visto
en la Figura 2.8.
Convencionalmente son clasificados con base a la duración y voltaje aumentado.
El voltaje aumentado del “swell” es definido como la diferencia entre el valor má-
ximo de voltaje RMS durante el “swell” y el valor nominal del voltaje. Los cambios
de voltajes donde no se supera la magnitud más de 1.1 pu no son considerados
“swell” [11].
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Figura 2.8: “Swell” de voltaje
Sobrevoltajes transitorios: Son disturbios en el voltaje de alimentación que
duran pocos milisegundos o menos y que inicialmente tienen la misma polaridad
que el voltaje, de tal manera que el disturbio se suma a la forma de onda nominal,
estos a su vez pueden clasificarse como [16]:
• Impulsos
• Oscilatorios
Figura 2.9: Voltaje transitorio o impulso de voltaje
Todos estos tipos de eventos normalmente son ocasionados por cambios súbitos de
carga, maniobras con interruptores, fallas o liberación de las mismas, conexión o des-
conexión de bancos de capacitores.
2.3.1.2.1. Efectos en el equipo electrónico sensible ante eventos
A continuación, se habla sobre los efectos que se tienen sobre los equipos al experimentar
algún disturbio de los mencionados en la sección 2.3.1.2.
El ruido y los impulsos pueden ocasionar mal funcionamiento en cargas con circui-
tos electrónicos, especialmente equipos de cómputo. El mal desempeño puede ocasionar
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que el equipo se detenga, se pasme o se inhiba. Este alto en el funcionamiento se puede
manifestar como un error de paridad, un teclado bloqueado,