TEMA 2 ARMONICOS

1.- ARMONICOS

En un sistema eléctrico de potencia, los aparatos y equipos que se conectan a el, tanto por la propia empresa como por los clientes, están diseñados para operar a 50-60 ciclos con una tensión y corriente senoidal.

Por diferentes razones se pueden presentar flujos eléctricos a frecuencias distintas a 50-60 Hz, en algunas partes del sistema de potencia, o dentro de la propia instalación del usuario. 

La forma de onda resultante estaría compuesta por un número de ondas más o menos senoidales de diferente frecuencia (incluyendo la referida principal de 50-60 Hz):

(dibujar onda de 50 hz y(+) otra distinta) = onda mas grande por arriba que por abajo) 

El termino o componente armónico se refiere a cualquier componente senoidal que aparece en el sistema eléctrico, además de la onda principal con frecuencia múltiplo de la principal, y que al sumarse a la principal da como resultado una onda distinta a esta.

La amplitud de esta señal armónica se expresa en tanto por ciento de la principal. 

Los armónicos se definen con sus dos parámetros característicos más importantes que son:

       -Amplitud. Valor máximo de la forma de onda del armónico.      

       -Orden o rango del armónico. Valor del número que multiplica a la frecuencia   principal para obtener la frecuencia del armónico.

Así, un armónico de orden o rango 3 tiene una frecuencia 3 veces superior a la de la onda principal.

La cantidad de armónicos (suelen despreciarse los efectos de armónicos superior a 23) se expresa en términos de valor eficaz de cada onda armónica, ya que el efecto calorífico depende de este valor de la onda distorsionada por ello, para una onda distorsionada estable, la energía disipada por efecto joule es la suma de las energías disipadas por cada una de las componentes armónicas.

E= Rx I’2xT+ RxI’2…. 

Según se aprecia en la figura los términos armónicos de orden menor son los que disipan mas energía en e sistema eléctrico, ya que tienen mas valor eficaz que los de orden superior.

I1 > I2 > I3 > I4….

Esta expresión permite intuir uno de los principales efectos de los armónicos, que es el aumento de la intensidad eficaz que atraviesa una instalación, debido a los componentes armónicos que lleva asociados una onda. 

El porcentaje o tasa de cada armónico (respecto a la principal) y la distorsión total armónica cuantifican la perturbación que puede existir en una red de suministro eléctrico.

Ejemplo:

Onda principal——-If1

Armónico orden 3———If3

                                       —-If3 = 25% de If1

Armonico orden 5———If5

                                       —-If5 = 40% de If1

Distorsion total = RxI3’2xT + RxI5’2xT = Rx(I2’2 + I5’2)xT

 Tasa o porcentaje de un Armonico: expresa el porcentaje de cada Armonico respecto a la principal.

Distorsion total: mide el efecto térmico de todos los armónicos.

1.1-ORIGEN DE LOS ARMONICOS

En general, los armónicos son producidos por cargas no lineales, lo que significa que su impedancia no es constante (esta en función de la tensión).

Estas cargas no lineales, a pesar de estar alimentadas por una tensión senoidal, absorben una intensidad no senoidal, pudiendo estar la intensidad desfasada respecto la tensión.

Las cargas armónicas no lineales más comunes son las que se encuentran en los receptores alimentados por electrónica de potencia, como por ejemplo, variadores de velocidad, rectificadores, inversores, reguladores etc.….

El resto de cargas cuando solo hay una onda circulando por el sistema a una única frecuencia tiene un comportamiento lineal, y no generan armónicos.

Sin embargo, los sistemas de potencia son casi fuentes de tensión constantes, por tanto, las cargas no lineales usualmente originan más distorsion en la corriente que en la tensión.

Existen dos categorías generadoras de armónicos:

       -La primera son las cargas en las que la corriente que fluye por ellas no es         proporcional a la tensión, con lo cual, si se aplica una onda senoidal de una sola        frecuencia, la corriente resultante no es de una sola frecuencia.

       -La segunda categoría de cargas no lineales que pueden generar armónicos son   aquellas que tienen una impedancia dependiente de la frecuencia.

       A una determinada frecuencia tienen una impedancia constante pero si la          frecuencia de           la señal varia, la impedancia también lo hará en función de la                frecuencia.

Este tipo de elementos no genera armónicos si son sometidos a una tensión de una sola frecuencia. Los filtros eléctricos y electrónicos y variadores de velocidad en motores, estos tienen estas características.

Casi toda la gran cantidad de armónicos que se crean en la mayoría de sistemas eléctricos de potencia son generados por los equipos de los usuarios.

Usuarios particulares, comerciales e industriales: microondas sistemas informáticos, sistemas de imagen y video, motores sobrecargados, todos constituyen a la creación de armónicos que pueden sumarse a la principal y originan problemas en el sistema eléctrico.

Fuentes generadoras de armónicos:

1.2- PRINCIPALES PERTURVACIONES CAUSADAS POR ARMONICOS DE IyV

Los armónicos de V e I acoplados a la onda principal, tienen unos efectos perjudiciales sobre los equipos y dispositivos conectados a las redes de distribución.

Para detectar los posibles problemas de armónicos que pueden existir en redes e instalaciones, es necesario, usar equipos de medida de valor eficaz, nunca de valor promedio, puesto que las medidas serian correctas si las ondas fuesen perfectamente senoidales. Para ondas distorsionadas por armónicos, las medidas pueden estar alejadas hasta un 40% del verdadero valor eficaz.

El nivel de armónicos presentes en sistemas eléctricos, puede estar, sin embargo, por debajo de un nivel, a partir del cual se ocasionan problemas, y podrían considerarse valores tolerables.

El efecto principal causado por los armónicos es la aparición de voltajes no senoidales en diferentes puntos del sistema eléctrico.

 Se producen como una consecuencia de la combinación de corrientes distorsionadas a trabes de las líneas. Estas corrientes provocan ondas de caídas de tensión deformadas que hacen que a los receptores del sistema no lleguen voltajes puramente senoidales.

Cuantos mayores sean las corrientes armónicas circulantes a trabes de un sistema eléctrico de potencia, mas distorsionados serán los voltajes en los puntos de consumo del circuito y mas graves los problemas que pueden presentarse por esta causa.

Los voltajes no senoidales son causantes de numerosos efectos que perjudican los equipos conectados al sistema. Estos efectos afectan principalmente a la vida útil del equipamiento de potencia y al funcionamiento de los mismos.

Los efectos perjudiciales de estos armónicos, dependen del tipo de carga encontrada, y serian:

-Efectos instantáneos

-Efectos a largo plazo por calentamiento.   
-Efectos instantáneos

Distorsion en controles usados en sistemas eléctricos.

Fuerzas electrodinámicas producidas por las corrientes instantáneas asociadas con las corrientes armónicas, causan ruido y vibraciones especialmente en equipos electromagnéticos.

Perturbación producida cuando líneas de comunicación y control son distribuidas paralelamente a lo largo de distribuciones eléctricas que conducen corrientes distorsionadas.

Para evitar esto, se debe tener en cuenta la longitud en la que se encuentran dichas líneas discurriendo en paralelo, las distancias entre los dos circuitos y las frecuencias armónicas (+frecuencias = mas acoplamiento).

Los armónicos son causantes de problemas en los sistemas de protección. Entre ellos, esta la operación incorrecta de fusibles, interruptores magnetotermicos y los equipos digitales de protección.

Para el caso de equipos protegidos contra sobre tensiones, los cuales están diseñados para funcionar con voltajes senoidales, estos sistemas de protección que llevan dichos equipos, pueden operar incorrectamente ante la aparición de forma de onda no senoidales.

Esta operación incorrecta puede ir desde la sobreprotección del equipo, hasta la desprotección del mismo por la no operación ante una forma de onda que podría dañarlo de forma severa.

(Un caso típico se presenta en una forma de onda que presenta picos agudos. Si el dispositivo de medición esta diseñado para responder ante determinados valores eficaces de la forma de onda, entonces estos cambios bruscos pudieran pasar sin ser detectados, y conllevaría a la desprotección del equipo ante esos picos dañinos a los que el dispositivo de medición seria insensible.

También podría ocurrir el caso contrario, el disparo ante valores no dañinos para el equipo Las protecciones convencionales actúan siempre sobre la suposición de que la forma de onda es puramente senoidal, lo cual puede ser adaptado para algunas formas de onda, pero incorrecto para otras)

 La principal consecuencia a largo plazo de los armónicos es el calentamiento:

-Calentamiento de baterías de condensadores: los condensadores son muy sensibles a sobrecargas, tanto debidas a un exceso de voltaje a la frecuencia nominal, como a la presencia de tensiones armónicas.

-Calentamiento debido a pérdidas adicionales en maquinas eléctricas: estator y rotor.

-Calentamiento en transformadores debido especialmente al efecto pelicular, que provoca un incremento en la resistencia del conductor con la frecuencia.

-Calentamiento en cables y equipos: en cables espacialmente, las pérdidas se incrementan cuando son atravesados por corrientes armónicas, aumentando su temperatura pudiendo dañar aislante y cubierta del cable como el propio conductor

-Todos los cuadros eléctricos sometidos a tensiones a atravesados por corrientes armónicas, sufren más pérdidas por calentamiento y deben ser objeto de revisiones en intervalos de tiempo más cortos.

Resumiendo, se puede decir que: los armónicos crean problemas solo cuando interfieren con la operación propia de un equipo, incrementando los niveles de corriente a un valor de saturación o sobrecalentamiento del equipo o cuando causan otros problemas similares también incrementan las pérdidas eléctricas y los esfuerzos térmicos y electrodos sobre los equipos.

 Donde más hacen daño en equipo, precisamente los armónicos es en sus devanados y en sus circuitos eléctricos, llegando a causar en muchos casos, la destrucción del propio equipo por perdida acelerada de su vida útil.

TEMA 2: CENTROS DE TRANSFORMACION

1.- CONCEPTO E IMPORTANCIA DEL CENTRO DE TRANSFORMACION

El reglamento de centrales eléctricas, subestaciones y centros de transformación, define a un centro de transformación de la siguiente forma:

Instalación provista de uno o barios transformadores reductores de alta a baja tensión con la aparamenta y obra complementaria precisa.

En un sistema de distribución la parte más significativa y en donde debe centrarse la máxima atención es el centro de transformación.

 Realizan la función de distribuir la energía eléctrica a diferentes tensiones en baja tensión, a la vez que permiten la conexión de líneas y redes de alta y media tensión en el punto que sea conveniente.

Se encuentran situados entre la subestación y el abonado, por tanto constituyen el último eslabón de transformación de la energía eléctrica en su camino hacia los centros de consumo.

Debido a su importancia se debe tener muy presente su ubicación proyecto y diseño, montaje, mantenimiento y las maniobras propias dentro del centro de transformación.

Para que un técnico instalador pueda realizar el montaje, maniobrar, puesta en marcha y mantenimiento de forma eficaz y seguro de un CT, deberá conocer el tipo de CT, las partes de que se compone y el diseño tecnológico.

La normativa que regula el uso y construcción de estas instalaciones abarca:

• Reglamento sobre condiciones técnicas y garantías de seguridad en centrales eléctricas, subestaciones y CT.

• Normas del ministerio de obras públicas y organismo.
• Particulares de la empresa suministradora de energía.
• Normas une, ordenanzas y normas municipales.

El suministro eléctrico que realizan los CT, se hace aprovechando las tensiones trifásicas de utilización que salen de ellos, que es actualmente 400/230 v. para pequeños consumidores de energía (viviendas, locales comerciales, oficinas, pequeñas industrias) se puede contratar el suministro con valores de tensión en BT, de 230V de fase, o bien con tensión de línea de 400V, pero a través siempre de un CT, propiedad de la compañía eléctrica.

El suministro a grandes consumidores de energía (industrias, grandes superficies comerciales, talleres en naves, institutos…) se puede contratar en AT a través de un CT, propiedad del abonado. La contratación en AT es aconsejable siempre en instalaciones con potencias superiores a 50 KW.

Ventajas de poseer un CT propio:

• Precio de la energía eléctrica mas barato, algún caso hasta un 30% de ahorro.

• Se entran limitaciones en las ampliaciones de la potencia demanda.

• Se consigue cierta independencia de problemas generados por otros abonados de BT, que tomarían la energía del mismo CT.

• Se puede elegir la forma de conexión a tierra más conveniente del secundario del transformador y masas metálicos de la instalación.

Para suministros en suelo urbano, si la potencia solicitada para el local, edificio o urbanización, es superior a 100KW, el promotor debe reservar un local con fácil acceso desde la vía pública para instalar un CT.

2. clasificación de los centros de transformación

2.1 según su acometida. (Derivación eléctrica que se construye desde la red

Publica de distribución – propiedad de la empresa suministradora (ESE) hasta las instalaciones del usuario, en la CGP, (BT) o hasta el CT (AT).

– CT con acometida aérea: aquel en el que la corriente llega al CT a través de una conexión a la red de distribución, que se realiza mediante cable aéreo desnudo de aluminio sostenido en apoyos metálicos u hormigón.

– CT con acometida subterránea: en este tipo de CT, la corriente llega a través de cables aislados en zanja, con un nivel de aislamiento en función de las características técnicas que presente la red, y alojados en tubos o canalizaciones preparados para tal fin.

 Esto es conveniente para que, en caso de averías o deterioro en el conductor, pueden ser extraídos sin necesidad de tener que levantar el pavimento.

-CT con acometida mixta: la corriente llega al CT a través de una acometida constituida por un tramo en montaje aéreo, que termina en apoyo y desde donde continua dicha línea en montaje subterráneo hasta el CT previsto.

Al final de la línea aérea deben existir dispositivos de protección contra sobre tensiones y elementos de maniobra que puedan aislar físicamente un tramo de otro.

 El tramo aéreo de subida del cable subterráneo hasta la línea aérea va protegido bajo tubos metálicos con la suficiente resistencia mecánica y obturar por la parte superior para evitar la entrada de agua.

El tubo debe ir empotrado en la alimentación del apoyo, sobresaliendo 2,5 m sobre el nivel del terreno.

SEGÚN SU PROPIEDAD.

-CT de compañía. Aquel que pertenece a la ESE, por tanto, de el parten las diferentes redes de distribución en BT para la alimentación a pequeños clientes.

No precisa de sistema de medida de energía. Como máximo las ESE suelen montar 2 transformadores de potencia, 630KVa, para cada uno, excepcionalmente para cargas elevadas 1000KVA. Esto es debido al coste económico: dos centros de transformación con un transformador de 630KVa cada uno, es mas caro que un CT con 2tramsformadores de 630KVA cada uno.

La tendencia por ello es instalar CT de compañía de menor potencia, aunque aparecen cargas fuertes en edificios o fabricas, esto no es siempre posible.

Las ventajas son del tipo:

   Reducción de la caída de tensión.

   Más facilidad de encontrar locales adecuados y menor terreno de      ocupación.

   Menor riesgo de avería en BT.

   Limitación de la intensidad de cortocircuito.

-CT de abonado; aquel que es propiedad del cliente y su tensión de alimentación viene condicionada por la real ESE en la zona del cliente.

En España las tensiones de línea para distribución oscilan entre los 45KV hasta los 15KV, siendo la más habitual la de 20KV. (Andalucía y Extremadura con sevillana).

 Deben venir equipados con sistemas para la medida de la energía eléctrica y disponer de reles de protección de puesta a tierra, si la potencia que suministran es superior a 1000KBA.

Hay dos grupos en este tipo de CT:

   Con equipos de medida en BT: son centros de poca potencia y a la   intemperie sobre apoyos. Se realiza la medición en BT para no medir la     energía perdida en la transformación.

   Con equipos de medida de AT: son para centros de mayor potencia. Una        parte es propiedad de la ESE, y el resto pertenece al cliente. La            medición se realiza en AT, puesto que es la tarifa contratada por los      grandes consumidores por su suministro.

SEGUN SU EMPLAZAMIENTO

-CT a la intemperie o aéreos; todos sus elementos se ubican en el exterior, tanto en transformados como el resto de dispositivos montados  sobre apoyos metálicos o de hormigón armado.

 Van protegidos por medio de fusibles, pararrayos y seccionadores. No requieren la construcción de edificios específicos, por lo que se reduce el gasto de instalación.

 Se usan principalmente para zonas rurales, suministros provisionales, obras y clientes aislados.

Aquí el transformador no supera las 160KVA, pero en la actualidad se están empezando a sustituir estos por otros llamados CTC bajo poste, de medida mas reducida que un edificio prefabricado y mejor maniobrabilidad, ya que se opera desde el suelo, sin tener que subir a ningún apoyo para realizar tareas de mantenimiento, medida, revisión, corrección de averías etc.….

En este caso la potencia del transformador puede llegar hasta los 250KVA.

-CT de interior; la mayor parte de sus elementos se ubican en recintos cerrados. Existen variantes de ese tipo de CT:

   -De superficie. Tienen su acceso por la calle. Pueden alojarse bien en un       local que forme parte de un edificio o bien instalarse de manera          independiente aislado de cualquier construcción.

   En el interior de otro edificio, la ubicación del centro de transformación             se fija de común acuerdo entre compañía eléctrica y el peticionario,      teniendo en cuenta lo referente a normativa eléctrica y explotación, uso y mantenimiento del edificio.

No pueden instalarse por debajo del primer sótano. Si el centro de transformación perteneciese a una ESE debe                accederse a el directamente desde la vía publica. Es decir, que la puerta         debe estar situada preferentemente en línea de fachada a una vía   pública.

El acceso al interior del local, es exclusivo para el personal de               una ESE. El emplazamiento debe permitir el trazado de las     canalizaciones subterráneas y tendido eléctrico previstos. Debe permitir    acceder a camiones para transportes de transformadores y demás   elementos pesados.

 No debe estar situado en zonas donde debe dejarse                permanentemente libres como el paso de bomberos, salidas de          emergencia, aparcamiento de ambulancia.

   -Subterráneos. Instalados bajo la vía publica o en el sótano de un      edificio. Tanto la entrada del personal como los aparatos del centro de     transformación están a nivel del suelo, pueden construirse en ladrillos              metálicos u hormigón. Reducen al mínimo su impacto sobre el entorno           donde valla a ser implantado.

SEGÚN LA OBRA CIVIL.

-CT convencional.

 Se ubican en el interior de un recinto construido de ladrillo, piedra, hormigón…, según un proyecto de obra civil. Los situados en edificios independientes, se has quedado obsoletos. En la actualidad ya no se construyen, pero es posible encontrarlos aun en zonas rurales funcionando.

Hay otros, sin embargo, en bajos de edificios destinados a otros usos, que si se siguen proyectando.

-CT compacto.

El conjunto de elementos eléctricos de que dispone, están situados sobre un soporte único o plataforma, dispuesto para ser emplazado en el interior de una envolvente hecha de hormigón en estructura monobloque, que puede ser de superficie o semienterrado.

Esta estructura, al ser monobloque, no puede modificarse. Se considera todo un único dispositivo para su petición, transporte  e instalación.

 El diseño del CTC debe realizarse siempre de la forma de las operaciones normales de su explotación, control y mantenimiento pueden efectuarse sin riesgo para las personas que operen en el, y desde el exterior. El equipamiento de estos centros, y sus características, se hace por completo en fábrica.

   -CTC Semienterrado:

   Son estructuras tipo caseta diseñadas para su instalación semienterrada, de tal modo que su altura vista no supera el metro y medio, con lo cual, se reduce el impacto visual, pudiendo ser adaptado a zonas industriales y residenciales.

Al venir ya completamente equipados de fábrica, las operaciones insita se limitan a la colocación de la estructura en la excavación y al conexionado de las acometidas eléctricas.

La aparamnta y el cuadro de baja tensión son accesibles desde el exterior a través de puertas independientes, (una para el transformador, una para cuadro de baja tensión, una para mantenimiento y accionamiento de la aparamenta de alta tensión). Ademas poseen un sistema de ventilación por rejillas.

   -CTC de Superficie:

   Son estructuras monobloque, tipo quiosco, dentro de las cuales se   instalan los elementos electricos a la cota del suelo donde quedara    emplazado. La acometida en AT a diferencia del semienterrado, no    queda siempre a nivel del suelo, sino q puede ser aerea.

Por supuesto          viene al ser un CTC montado totalmente de fabrica, por lo que las      operaciones in situ, se reducen al conecconado de acometidas electricas       y a la fijación del centro.

   -CTC de Maniobra:

   Es un CT monobloque, diseñado para su instalacion en superficie. Solo         tiene 3 interruptores de corte para realzar conmutación entre varias   redes de distribución.

El ecceso a estos interruptores para su maniobra,      se realiza desde el ecteriora traves de una puerta de dos hojas con   apertura hacia el exterior.

-CT prefabricado

Dispone de una envolvente de hormigón armado de estructura monobloque, como los compartos o bien echa con bloques o modulos por un fabricante especifico que requiere su ensamblado en obra. Son faciles de trasportar e instalar.

 Los modulares pueden modificar su forma mediante nuevos modulospara su ampliación. Los monobloques como los compactos pueden venir ya totalmente montados y equipados de fábrica.

Son muy usados debido a la falta de locales para alojar un centro de transformación además de la necesidad de ahorrar espacio en zonas edificadas. Ofrecen por tanto la combinación de tamaño reducido con resistencia a agentes atmosféricos.

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