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Equipos de medida y método de valoración de contaminaciones armónicas en clientes de distribución y uso final.

Resumen

Este artículo presenta los resultados del análisis de aplicación práctica de la referencia IEEE 519-92 tomada por las actuales regulaciones para la definición de responsabilidades en la calidad de la energía suministrada por un Operador de Red. Incluye adicionalmente los resultados del análisis de niveles de distorsión armónica en 105 clientes del sistema de distribución en 5 niveles de tensión, cuyos valores de THDv y TDD son comparados con los valores límite definidos por el IEEE 519-92, con el propósito de definir límites aplicables para el sector eléctrico colombiano. Finalmente se incluye la definición de procedimientos para el control de los armónicos según el concepto de clase de cliente, introducido dentro de este trabajo.

0 Introducción

Desde el año 1995 se han venido desarrollando en Colombia regulaciones dirigidas a garantizar la calidad de la energía eléctrica, dentro de este proceso la comisión de regulación de energía y gas (CREG) introdujo a la IEEE 519-92 [3] como referencia para el control de las distorsiones armónicas en tensión y corriente [2], sin embargo, hasta el momento la aplicación práctica del estándar por parte de los operadores de red y los clientes ha sido limitada debido a restricciones en su contenido identificadas a través de la experiencia del autor y por literatura técnica [1], [4].

Desde el año 2008, adicionalmente Icontec ha emitido normativas relacionadas como NTC 5001 y NTC 61000-4-30 que contribuyen a establecer parámetros de comparación y medida de los parámetros de calidad de energía que fortalecen las oportunidades de cada uno de los agentes de los mercados eléctricos para medir, controlar y mejorar las condiciones de calidad de energía en las redes de distribución.

1 La referencia IEEE 519-92

Límites de distorsión armónica total en tensión (THDv)

Los límites definidos por [3] no tienen un origen cierto  aunque representan un punto de partida que ha venido siendo utilizado en varios lugares del mundo y por tanto los valores límite tienen una base práctica que no se puede desconocer. Para ESOLUTIONS, las principales dificultades con la aplicación en Colombia de los límites de IEEE para este parámetro se concentran en dos aspectos. El primero debido a que en algunos sectores de la sociedad técnica colombiana se está utilizando una definición de THDv basada en la tensión nominal y no en la tensión fundamental como se encuentra expresada en el estándar y el segundo es la definición de la máxima corriente de carga para la valoración de los límites en la emisión de armónicos de corriente.

Adicionalmente y con la emisión de la segunda versión de IEEE 519 en el año 2014 se adicionó un punto de discusión sobre estos límites debido a que para redes de baja tensión (hasta 1000 V) los límites de THDv aumentaron a 8% mientras que el límite para las componentes individuales se fijó un límite de 5%. Para los sistemas con tensiones mayores a 1 kV hasta 69 kV se mantienen los límites anteriores de 5% para el THDv y del 3% para los componentes individuales de las tensiones.

La definición del THDv

No se encuentra plenamente identificado el valor de THDv que debe ser utilizado en la comparación de los valores medidos Vs los valores límite. Por tanto para mejorar la aplicabilidad de los límites de distorsión armónica total en tensión (THDv) ESOLUTIONS sugiere tener en cuenta las siguientes precisiones para el análisis de los límites o las mediciones tomadas en distintos períodos de tiempo.

La definición de THDv debe apegarse a la definición dada por IEC 61000-4-30 y sus resultados deben incluir:

  • Valor del THDv máximo, mínimo y promedio en cada uno de los intervalos de tiempo de medida. En este sentido se debe comprender que los analizadores de redes deben dividir el tiempo de medida en intervalos que le permitan almacenar la información que posteriormente entregarán al usuario.
  • En IEC 6100-4-30 se indica que para mediciones de una semana este intervalo debe ser de 10 minutos, no obstante para mediciones más cortas se pueden usar intervalos de 3 minutos para mediciones de 24 horas e intervalos de 5 minutos para intervalos entre 24 horras y una semana.
  • El valor sugerido de THDv para la comparación respecto a los límites es el percentil del 95% de la muestra tomada con base en una distribución estadística del parámetro medido, asociado a un tiempo mínimo de medida según el tipo de cliente. Lo anterior teniendo en cuenta que la recomendación del grupo de trabajo de IEEE [4] y las recomendaciones dadas por la IEC 61000-4-30 [5], para el análisis de este parámetro.

Límites de distorsión armónica total en corriente  (THDi) y de distorsión total en corriente demandada (TDD).

Del lado de las distorsiones armónicas en la corriente se define el THDi (calculado de forma homóloga a la tensión siguiendo la ecuación (1)) y la tasa de distorsión de la corriente demandada (TDD), el cual es calculado a partir de la siguiente expresión:

Ecuación 1 - TDD = THDi x Ii / IL

donde:

  • TDD: Tasa total de distorsión en corriente demandada.
  • THDi: Distorsión armónica total en corriente medida por el instrumento de medida de acuerdo a IEC 6100-4-30 (ED3)
  • Ii : Magnitud de intensidad de la corriente (rms) en el intervalo i.
  • IL : Máxima corriente de demanda (rms)

Para la comparación con los límites establecidos por IEEE 519 se recomienda tener en cuenta los siguientes lineamientos:

  • Formalmente IEEE considera que el valor de IL debe ser el valor de la corriente equivalente a la demanda máxima mensual promediada en los últimos 12 meses. Lo cual tiene sentido para comparar los resultados sobre un valor representativo de las redes bajo análisis. No obstante, este valor puede no ser de fácil consecución o no estar disponible al momento de realizar la medida o el análisis.
  • En su lugar se recomienda utilizar el valor del percentil del 95% de la corriente medida según los tiempos de medida mínimos:
    • 24 horas para sistemas o equipos con demandas permanentes como son datacenters, sistemas de extracción de crudo
    • 72 horas para clientes con demandas estacionales durante la semana como es el caso de centros comerciales o procesos de refinación o molienda que tienen demandas altas durante dos o tres días por semana.
    • 1 Semana. Para sistemas o equipos en general y cuya demanda de energía no es constante o concentrada en un día en específico.

La definición de IL propuesta tiene como principal ventaja que el valor de corriente máxima se obtiene de forma simultánea que las distorsiones armónicas y por tanto se tiene un punto de comparación proporcional a las tasas de distorsión en corriente (THDi). Reduce además la atenuación de los valores de distorsión en corriente generadas a partir del cálculo del valor de corriente máxima que puede suceder bajo condiciones de distorsión armónica diferentes a las medidas y por tanto se obtiene una calificación más apropiada para el TDD de un cliente.

Para la aplicación de los límites de TDD propuestos por IEEE [3] se tiene una dependencia directa de los valores de corriente de cortocircuito en el Punto de Conexión Común (PCC)[1], los cuales no son de fácil acceso para los evaluadores debido a restricciones o inexistencia de esta información por parte de los operadores de red y por tanto se recomienda tener en cuenta las siguientes recomendaciones para ajustar la aplicabilidad de los límites :

  • Definir valores mínimos de capacidad de cortocircuito en las redes, que deben ser cumplidas por los operadores de red para poder prestar el servicio. De esta forma se reduce el efecto que la presencia de armónicos ocasiona sobre las redes de menor capacidad o o “más débiles” y que en ocasiones son las más desantendidas por los operadores de red. Esta medida igualmente acepta que las contaminaciones armónicas son “naturales” en la operación de los sistemas de potencia (del lado del cliente) de forma similar a las variaciones “naturales” de la tensión en una red comercial (del lado del operador).
  • Establecer la obligatoriedad de la publicación o disponibilidad oportuna de los valores de cortocircuito calculados para la totalidad de los clientes de un operador de red. Esto permitirá contar con la información suficiente para determinar de forma objetiva el cumplimiento o no de los límites establecidos en una regulación de carácter obligatorio.
  • Mantener actualizados los análisis de cortocircuito de las redes con intervalos regulares de cinco años que permitan la comparación de las distorsiones armónicas con respecto a la capacidad de las redes medidas.

Otros aspectos

Adicionalmente, se requiere que los equipos de medida de calidad de energía cumplan con IEC 61000-4-30 Clase a o S (según la necesidad) de tal forma que las mediciones puedan ser comparables entre distintos equipos de medida o distintos períodos de tiempo. Para nuestra metodología es importante tener como mínimo los siguientes rangos de medida o error en los equipos de medida de calidad de energía.

  • Medición de frecuencia fundamental con un error no mayor a +/-0.01Hz [5]
  • Medición y registro de componentes armónicas de las señales de tensión y corriente desde la componente fundamental hasta el armónico de orden 31 (o mayor) de forma individual (incluye valores True RMS). Al respecto se tiene que en sistemas de distribución como el colombiano no es frecuente encontrar armónicos con magnitudes representativas por encima del orden 21.
  • El error aceptable para la medición de los parámetros de tensión es de +/- 0.1%, en cualquier rango de la escala. El trabajo desarrollado por el autor sugiere que para mediciones de corriente se acepten errores en la medida del orden de 2% a plena escala del equipo de medida, teniendo en cuenta que en la práctica no es posible obtener valores de error menores si se considera la totalidad de transductores y equipos involucrados en una medición.
  • Para la medida de parámetros de corriente IEC [5] sugiere errores de +/-0.1%, sin embargo, esto para las condiciones del sistema colombiano no es posible de obtener considerando que los transductores y equipos de medida (especialmente para el caso de media tensión) varían en su clase de 0.2 a 1.
  • Se requiere que los equipos de medida capturen los ángulos de las componentes armónicas medidas. Se aclara que esta información no es utilizada dentro de la valoración de los límites pero es necesaria para la valoración de alternativas de solución y definición de responsabilidades cuando se detectan problemas.
  • Medición de los parámetros de demanda incluidos: El factor de potencia, potencia activa, reactiva y total. Para la aplicación de los límites propuestos el grupo de trabajo de IEEE [4] divide el análisis en dos etapas. La primera, relacionada con la aceptación directa de clientes que por sus demandas pequeñas se asume que su efecto sobre el sistema de distribución es mínimo y la segunda etapa se relaciona con el análisis específico de clientes con bancos de corrección de factor de potencia y cargas que por su relación de demanda máxima respecto a la capacidad de cortocircuito pueden llegar a afectar al sistema (a juicio del operador de red).

Para ESOLUTIONS la metodología de evaluación por etapas propuesta por IEEE es parcialmente aceptable por lo que debe ser complementada o reemplazada de acuerdo a los lineamientos dados en este documento, en donde se define el análisis de los casos a partir del concepto de clase de cliente.

Con respecto a la metodología propuesta por IEEE en [4], se considera que los cambios y precisiones sobre el PCC y sobre los efectos en el análisis tiene el factor tiempo pueden ser incorporados dentro del análisis de armónicos dentro de una metodología de evaluación de armónicos de carácter obligatoria en un sistema de potencia como el colombiano.

2 Análisis de las distorsiones armónicas en clientes

A partir de los resultados de las mediciones en más de 1000 clientes entre 1997 y 2020 se han encontrado las siguientes precisiones en la valoración de contaminaciones armónicas en las redes de distribución y uso final.

  • En una evaluación individual por niveles de tensión, se tiene que los valores más altos se concentran en el nivel I (<1kV), lo cual es normal considerando que la concentración de cargas no lineales en este nivel de tensión es más alta respecto a los demás niveles de tensión.
  • Los valores más altos de THDv[95%] se concentran en los sectores industriales y otros (gubernamentales, educativas y hospitales). Este resultado indica que no se deben excluir clientes en un eventual análisis de armónicos teniendo como premisa el tipo del mismo.
  • Del total de las mediciones menos del 10% de los casos superan los valores indicados por el estándar IEEE 519, lo cual indica que en general los valores de distorsión en los PCC de la muestra cumplen con los requerimientos de la IEEE y que por tanto el límite de 8% a sistemas de baja tensión o del 5% para sistemas hasta 69 kV es aplicable al sistema de distribución colombiano.
  • El 85% de la muestra se mantiene por debajo de un valor de 4.5%, lo cual sugiere que este puede ser tenido en cuenta como un punto de control para comenzar a planificar acciones de manejo de cargas, planificación de acciones de mitigación que conlleven un punto de mejora de las redes antes de que estas se contaminen al punto de comenzar a causar daños en equipos sensibles a la presencia de distorsiones armónicas. Debe notarse que este mismo valor de control para redes de baja tensión (<1000 V) puede ser del 5,5% a 6% debido a que la tecnología de los equipos ha venido mejorando la compatibilidad de los componentes lo que supone un punto de control más alto.
  • Durante la evaluación [1] se determinó que errores hasta de 1% en los equipos de medida no afectan los resultados de las evaluaciones, por tanto este valor puede ser aceptable como valor máximo de error permitido en los equipos de medida.
  • Dentro del análisis se validó la sensibilidad de los resultados respecto a las capacidades de cortocircuito tomadas como referencia, validando el nivel de cumplimiento cuando las corrientes de referencia varían entre un 50% y un 300% de los valores típicos. El resultado indica que no se obtienen variaciones representativas en el nivel de cumplimiento si la variación de la capacidad de cortocircuito se encuentra entre un 75% y un 110%, por tanto para una correcta valoración de las contaminaciones armónicas no se requiere un valor exacto de este parámetro.
  • Adicionalmente las variaciones en los niveles de cumplimiento respecto al valor de la capacidad de cortocircuito únicamente sucede en el nivel I, mientras que para  media y alta tensión el porcentaje de cumplimiento es uniforme para todos los valores evaluados. Lo anterior demuestra que la relación Isc/IL en sí misma no es el mejor indicador de la capacidad de un sistema para soportar las distorsiones armónicas y por tanto se requiere otro parámetro de comparación que permita determinar si es o no necesario tomar acciones para la mitigación y/o control de las distorsiones armónicas.
  • El sector que más incumple con los límites propuestos por IEEE es el industrial con un 55% de los casos. lo anterior indica que en un análisis de contaminaciones armónicas se deben evaluar este tipo de clientes de forma obligatoria, sin embargo, también evidencia que se debe proponer un mecanismo de evaluación de corta duración, si se tiene en cuenta que los industriales representan cerca del 29% del total de clientes de Colombia [6].
  • El sector comercial tiene un valor de conformidad del 78%, esto se debe principalmente a que las demandas máximas de este tipo de clientes no son altas respecto al sistema y por tanto las relaciones de Isc/IL son generalmente cercanas o mayores a 1000 (para los casos medidos).
  • El comportamiento global de la muestra no permite definir si los límites definidos por IEEE pueden variar o mantenerse fijos, razón por la cual se recomienda mantener las recomendaciones de la CREG utilizando los valores de IEEE como una referencia más no como un valor absoluto a cumplir en un PCC.

3 Cuando tomar acciones de mitigación?

Debido a que IEEE 519 no considera que un sistema puede cumplir parcialmente con los límites propuestos, para contestar esta pregunta ESOLUTIONS desarrolló el concepto de tipo de cliente según el grado de cumplimiento de los valores límite de THDv y TDD, así:

  • Clase I: Clientes para los cuales los valores de THDv[95%] y TDD[95%] superan los valores de referencia de IEEE.
  • Clase II: Clientes cuyo valor de THDv[95%] se encuentra dentro de los límites pero sus valores de TDD[95%] se encuentran fuera de los límites de IEEE.
  • Clase III: Clientes cuyos valores de THDv[95%] y TDD[95%] se encuentran dentro de los límites de referencia de IEEE.
  • Clase IV: Clientes cuyos valores de THDv[95%] se encuentran fuera de los límites de referencia mientras que los valores de TDD[95%] se encuentran dentro de los límites de referencia de IEEE.

Acciones a ser tomadas según el tipo de cliente

Clientes Clase I

Este tipo de clientes son aquellos que son prioritarios en la atención debido a que las distorsiones armónicas medidas en tensión y en demanda superan los valores recomendados. es decir, son clientes en donde se deben acometer acciones para evitar que las distorsiones armónicas en su sistema afecten a ortos sistemas o clientes de la red así como se desborden los efectos negativos de la presencia de armónicos.

Para este tipo de clientes se sugiere:

Clientes Clase II

Este tipo de clientes se caracteriza por ser, en la mayor parte de los casos, víctimas de sus vecinos. Son clientes que a pesar de no emitir armónicos de corriente (representado en TDD bajos) sufren las consecuencias de contar con una red con distorsiones armónicas altas en tensión. Para este tipo de clientes se recomienda:

  • Evaluar las tasas de fallas internas debidas a daños en equipos electrónicos y costos asociados a paradas de producción debido a las mismas fallas. Con esta información se podrá determinar si es necesario o no atender de forma prioritaria el problema de un THDv alto.
  • En caso de que se determine que es necesario tomar acciones se sugiere la implementación de sistemas de mejoramiento de calidad de energía que como las UPS pueden ofrecer protección ante las deformaciones de las red de entrada.
  • Estudiar los bancos de compensación reactiva para valorar si estos son fuente de resonancia de armónicos presentes en la red de entrada al sistema evaluado.
  • Valorar la incorporación de transformadores de aislamiento que permitan reducir la presencia de armónicos de orden triple (normalmente 3º y 9º)

Clientes Clase III

Estos son los clientes en donde definitivamente no hay inconvenientes con las distorsiones armónicas y por tanto sólo queda hacer seguimiento a las condiciones en períodos de dos a tres años o según las necesidades de análisis establecidas por el mismo cliente o sus equipos. Debe notarse que más del 85% de los clientes en una red de distribución están en esta clase.

Clientes Clase IV

En este tipo de clientes no se requiere la implementación de medidas de corto o mediano plazoo (hasta 3 años) debido a que el aumento de las distorsiones en demanda no impactan de forma negativa la calidad de las tensiones en la red y su THDv es bajo. Normalmente este tipo de clientes son Industriales o Comerciales cuya capacidad instalada es superior al 50% de las demandas reales de sus cargas y están conectadas a circuitos de media tensión de 34,5 kV o mayores cuyas distorsiones armónicas suelen ser inferiores a las que se presentan en circuitos inferiores a 20 kV. Para este tipo de clientes se recomienda:

4 Conclusión

En ESOLUTIONS contamos con las herramientas para analizar su caso desde el punto de vista normativo y práctico que le permite mantener control y planes de acción sobre las contaminaciones armónicas de su red. Anímese a ponerse en contacto y déjenos participar en el cumplimiento de sus metas.

5 Referencias

[1]F. Castro, “Análisis Comparativo de Límites y Niveles de Distorsión Armónica en Sectores Comerciales e Industriales”, Tesis de maestria, Universidad nacional de Colombia, 2005.
[2]Comisión de Regulación de Energía y Gas – CREG. “Resolución CREG 070.1998”, Ministerio de Minas y Energía. 1998.
[3]IEEE Standard 519-2014, IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems.
[4]IEEE 519A – Guide for Applying Harmonic Limits on Power Systems. P519A/D5. P519A Task Force. Harmonics Working Group (IEEE PES T&D Committee). May 4, 1996.
[5]IEC 61000-4-30, “Electromagnetic Compatibility (EMC) – Testing and Measurement techniques – Power Quality measurement methods”. International Electrothecnical Commission IEC. Primera edición 2003.02.
[6]Comisión de Regulación de energía y Gas – CREG. “Reporte Electrónico de la CREG para el primer semestre del año 2004”. 2004.