Para optar el Título Profesional de Ingeniera Electricista Huancayo, 2021 FACULTAD DE INGENIERÍA Escuela Académico Profesional de Ingeniería Eléctrica Tesis Alexandra Silvana Corzo Hormaza Descripción de los parámetros de la calidad de energía eléctrica del sistema de utilización de la Clínica Rebagliati - Huancayo en el año 2020 Esta obra está bajo una Licencia "Creative Commons Atribución 4.0 Internacional" . 2 AGRADECIMIENTOS A mi asesor por su perspectiva crítica desde varios aspectos, por su asesoramiento, que contribuyó a educarme como persona e investigadora. Son varias las personas que formaron parte de mi vida profesional, a las cuales quiero agradecerles su amistad, apoyo y consejos. 3 DEDICATORIA A Silvano, mi padre; Marleny, mi madre, y mis hermanos, quienes dedicaron los mejores años de su vida para brindarme su apoyo incondicional en todo momento. A Alvaro y Valeska, mi hija, por ser mi soporte y motivación de mi día a día. Y, por último, a Dios, por darme salud en estos momentos tan difíciles que atravesamos. 4 ÍNDICE AGRADECIMIENTOS ----------------------------------------------------------------------------------- 2 DEDICATORIA ------------------------------------------------------------------------------------------- 3 ÍNDICE ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 4 ÍNDICE DE FIGURAS ----------------------------------------------------------------------------------- 8 ÍNDICE DE TABLAS----------------------------------------------------------------------------------- 10 RESUMEN ----------------------------------------------------------------------------------------------- 12 ABSTRACT ---------------------------------------------------------------------------------------------- 13 INTRODUCCIÓN --------------------------------------------------------------------------------------- 14 CAPÍTULO I --------------------------------------------------------------------------------------------- 15 PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO ---------------------------------------------------------------- 15 1.1. Planteamiento y formulación del problema ------------------------------------------- 15 1.1.1. Problema general --------------------------------------------------------------------- 18 1.1.2. Problemas específicos -------------------------------------------------------------- 18 1.2. Objetivos ------------------------------------------------------------------------------------- 19 1.2.1. Objetivo general -------------------------------------------------------------------------- 19 1.2.2. Objetivos específicos -------------------------------------------------------------------- 19 1.3. Justificación e importancia --------------------------------------------------------------- 19 1.3.1 Justificación técnica ---------------------------------------------------------------------- 19 1.3.2 Justificación económica ----------------------------------------------------------------- 19 1.3.5. Importancia de la investigación ------------------------------------------------------- 20 1.4. Alcances de la investigación ---------------------------------------------------------------- 20 1.4.1. Alcance temporal ------------------------------------------------------------------------- 20 5 1.4.2. Alcance geográfico ---------------------------------------------------------------------- 20 1.5. Limitaciones ------------------------------------------------------------------------------------ 20 1.5.1. Limitaciones de información ----------------------------------------------------------- 20 1.6. Descripción de variables y operacionalización de variables ------------------------ 22 MARCO TEÓRICO ------------------------------------------------------------------------------------ 23 2.1. Antecedentes del problema ----------------------------------------------------------------- 23 2.1.1. Antecedentes Internacionales --------------------------------------------------------- 23 2.1.2. Antecedentes nacionales -------------------------------------------------------------- 28 2.2. Bases teóricas---------------------------------------------------------------------------------- 33 2.2.1. Definición ----------------------------------------------------------------------------------- 33 2.2.2. Fuentes de disturbios en el sistema ------------------------------------------------- 33 2.2.3. Normatividad ------------------------------------------------------------------------------ 50 2.2.4. Equipo de medición ---------------------------------------------------------------------- 53 2.2.5. Sistema eléctrico de utilización ------------------------------------------------------- 55 2.3. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS------------------------------------------------- 60 CAPÍTULO III -------------------------------------------------------------------------------------------- 63 Metodología --------------------------------------------------------------------------------------------- 63 3.1. Método de investigación --------------------------------------------------------------------- 63 3.2. Tipo de investigación ------------------------------------------------------------------------- 63 3.3. Nivel de la investigación --------------------------------------------------------------------- 63 3.4. Diseño de la investigación ------------------------------------------------------------------- 64 3.4.1. Diseño descriptivo simple -------------------------------------------------------------- 64 3.5. Población y muestra -------------------------------------------------------------------------- 64 6 3.6. Técnicas e instrumentos de recolección de datos ------------------------------------- 65 3.7. Técnicas procesamiento de datos --------------------------------------------------------- 65 CAPÍTULO IV ------------------------------------------------------------------------------------------- 67 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ---------------------------------------------------------------------- 67 4.1. Resultados del tratamiento y análisis de la información ----------------------------- 67 4.1.1. Análisis de tensión ------------------------------------------------------------------- 67 4.1.2. Análisis de Frecuencia -------------------------------------------------------------- 82 4.1.3. Análisis de Armónicos --------------------------------------------------------------- 83 4.1.4. Análisis del factor de potencia ----------------------------------------------------- 89 4.1.5. Sistema de puesta a tierra --------------------------------------------------------- 92 4.2. Interpretación de resultados ------------------------------------------------------------- 94 4.2.1. Análisis del nivel de tensión ----------------------------------------------------------- 94 4.2.2. Análisis de frecuencia ------------------------------------------------------------------- 97 4.2.3. Análisis de armónicos ------------------------------------------------------------------- 98 4.2.4. Análisis del factor de potencia -------------------------------------------------------- 99 4.2.5. Sistemas de puesta a tierra------------------------------------------------------------ 99 4.3. Discusión de resultados ----------------------------------------------------------------- 101 4.4. Propuesta de diseño del banco de condensadores ------------------------------- 106 4.4.1. Objetivo ------------------------------------------------------------------------------------ 106 4.4.2. Diseño ------------------------------------------------------------------------------------- 106 4.4.3. Cálculos justificativos ------------------------------------------------------------------ 107 4.4.4. Especificaciones técnicas ------------------------------------------------------------- 108 4.4.5. Análisis económico --------------------------------------------------------------------- 111 7 CONCLUSIONES ---------------------------------------------------------------------------------- 115 RECOMENDACIONES --------------------------------------------------------------------------- 117 Referencias Bibliográficas -------------------------------------------------------------------------- 118 8 ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 1: FLUCTUACIONES DE VOLTAJE ......................................................................................... 35 FIGURA 2 : SOBRETENSIONES TRANSITORIAS .................................................................................. 35 FIGURA 3: TRIÁNGULO DE POTENCIAS ............................................................................................. 36 FIGURA 4: INTERRUPCIONES TEMPORARIAS .................................................................................... 37 FIGURA 5: RUIDO ELÉCTRICO ......................................................................................................... 37 FIGURA 6: SEÑAL FUNDAMENTAL MÁS TERCERA ARMÓNICA .............................................................. 38 FIGURA 7: DESCOMPOSICIÓN DE UNA ONDA COMPLEJA SEGÚN EL TEOREMA DE FOURIER .................. 45 FIGURA 8: ESPECTRO DE FOURIER ................................................................................................. 45 FIGURA 9: FORMULA DE FOURIER ................................................................................................... 46 FIGURA 10: UNILYZER 902 ............................................................................................................. 54 FIGURA 11: CONEXIÓN DEL EQUIPO UNILYZER 902 .......................................................................... 65 FIGURA 12: CONEXIÓN DE TELURÓMETRO ....................................................................................... 66 FIGURA 13: TENSIÓN MÁXIMA MÍNIMA .............................................................................................. 67 FIGURA 14: TENSIÓN PROMEDIO ..................................................................................................... 67 FIGURA 15: VARIACIONES DE TENSIÓN DE CORTA DURACIÓN ............................................................ 69 FIGURA 16: FORMA DE ONDA DE SAG N°01 ...................................................................................... 70 FIGURA 17: FORMA DE ONDA SAG N° 02 .......................................................................................... 71 FIGURA 18: CURVA CBEMA .......................................................................................................... 72 FIGURA 19: CURVA ITIC ................................................................................................................ 72 FIGURA 20: CURVA F47 ................................................................................................................. 73 FIGURA 21: TRANSITORIOS ............................................................................................................ 74 FIGURA 22: FORMA DE ONDA .......................................................................................................... 78 FIGURA 23: DISTORSIÓN DE LA FORMA DE ONDA DE CORRIENTE ....................................................... 79 FIGURA 24: ÍNDICE DE SEVERIDAD POR FLICKER DE CORTA DURACIÓN .............................................. 80 FIGURA 25: ÍNDICE DE SEVERIDAD POR FLICKER DE LARGA DURACIÓN .............................................. 81 FIGURA 26: TENDENCIA DE LA FRECUENCIA – NTCSE ..................................................................... 82 FIGURA 27: DISTORSION ARMÓNICA TOTAL – TENSIÓN ..................................................................... 83 FIGURA 28: TENDENCIA DE DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL DE TENSIÓN Y CORRIENTE ........................ 84 FIGURA 29: TENDENCIA DE ARMÓNICO DE 3ER ORDEN ..................................................................... 85 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684886 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684887 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684888 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684889 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684890 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684891 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684892 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684893 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684894 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684895 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684896 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684897 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684899 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684900 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684901 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684902 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684903 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684904 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684905 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684906 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684908 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684909 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684910 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684911 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684912 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684913 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684914 9 FIGURA 30: TENDENCIA DE ARMÓNICO DE 5TO ORDEN ..................................................................... 86 FIGURA 31: TENDENCIA DE ARMÓNICO DE 7TMO ORDEN .................................................................. 87 FIGURA 32: TENDENCIA DE ARMÓNICO DE 9NO ORDEN ..................................................................... 88 FIGURA 33: TENDENCIA DE POTENCIA ACTIVA .................................................................................. 89 FIGURA 34: TENDENCIA - POTENCIA APARENTE ............................................................................... 90 FIGURA 35: TENDENCIA - POTENCIA REACTIVA ................................................................................ 91 FIGURA 36: FACTOR DE POTENCIA .................................................................................................. 92 FIGURA 37: DISEÑO DE BANCO DE CONDENSADORES ..................................................................... 106 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684915 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684916 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684917 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684918 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684920 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684921 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63684922 10 ÍNDICE DE TABLAS TABLA 1 DESCRIPCIÓN DE VARIABLES Y OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES .................................. 22 TABLA 2 CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSITORIOS OSCILATORIOS ........................................................ 39 TABLA 3 PARÁMETROS DE LOS ARMÓNICOS ..................................................................................... 43 TABLA 4 NIVELES DE TOLERANCIA DE ARMÓNICOS ........................................................................... 44 TABLA 5 LÍMITES DE DISTORSIÓN DE TENSIÓN .................................................................................. 52 TABLA 6 LÍMITES DE DISTORSIÓN DE CORRIENTES ARMÓNICAS PARA CARGAS NO LINEALES ................ 52 TABLA 7 VALORES ESTADÍSTICOS DE TENSIÓN ................................................................................. 68 TABLA 8 DATA DE VALORES OBTENIDOS ESTADÍSTICAMENTE ............................................................ 68 TABLA 9 RESULTADOS DE TENSIÓN LÍNEA LÍNEA .............................................................................. 68 TABLA 10 TENSIÓN LÍNEA - LÍNEA SAG ............................................................................................ 70 TABLA 11 RESULTADOS DE VARIACIONES DE VOLTAJE ..................................................................... 70 TABLA 12 EVENTOS REGISTRADOS ................................................................................................ 71 TABLA 13 TENSIÓN MÁXIMA Y MÍNIMA - SAG ..................................................................................... 71 TABLA 14 RESULTADOS DE DURACIÓN DE EVENTOS REGISTRADOS ................................................... 73 TABLA 15 FASE DE FALLA .............................................................................................................. 73 TABLA 16 RESULTADOS DE TRANSITORIOS POR FASE ..................................................................... 74 TABLA 17 REGISTRO DE TRANSITORIOS – NIVEL DE TENSIÓN ............................................................ 74 TABLA 18 TENSIÓN MÁXIMA Y MÍNIMA POR FASE .............................................................................. 78 TABLA 19 RESULTADOS DE CORRIENTE MÁXIMA Y MÍNIMA POR FASE ................................................ 79 TABLA 20 VALORES ESTADÍSTICOS - PST ....................................................................................... 80 TABLA 21 PLT – DATA DE RESULTADOS OBTENIDOS ........................................................................ 81 TABLA 22 PLT POR FASE – RESULTADOS EN 50160 ....................................................................... 81 TABLA 23 PLT – RESULTADOS OBTENIDOS IEC 61000-3-3 ............................................................. 81 TABLA 24 RESULTADOS ESTADÍSTICOS - FRECUENCIA...................................................................... 82 TABLA 25 FRECUENCIA - NTCSE ................................................................................................... 82 TABLA 26 VALORES ESTADÍSTICOS THD DE TENSIÓN ...................................................................... 83 TABLA 27 VALORES ESTADÍSTICOS THD DE TENSIÓN ...................................................................... 84 TABLA 28 RESULTADOS ESTADÍSTICOS DE ARMÓNICOS DE TERCER ORDEN ...................................... 85 TABLA 29 VALORES ESTADÍSTICOS - ARMÓNICO DE QUINTO ORDEN ................................................. 86 11 TABLA 30 ARMÓNICO DE SÉPTIMO ORDEN - RESULTADOS ESTADÍSTICOS .......................................... 87 TABLA 31 ARMÓNICO DE NOVENO ORDEN - RESULTADOS ESTADÍSTICOS ........................................... 88 TABLA 32 POTENCIA ACTIVA - RESULTADOS ESTADÍSTICOS .............................................................. 89 TABLA 33 POTENCIA APARENTE - RESULTADOS ESTADÍSTICOS ......................................................... 90 TABLA 34 POTENCIA REACTIVA - RESULTADOS ESTADÍSTICOS .......................................................... 91 TABLA 35 FACTOR DE POTENCIA ..................................................................................................... 92 TABLA 37 VALORES MÁXIMOS DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA ................................................ 92 TABLA 36 VALORES MÁXIMOS DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA ................................................ 93 TABLA 38 RESULTADOS DE POTENCIA REACTIVA ........................................................................... 107 TABLA 39 RESULTADOS DE CORRIENTE NOMINAL DE LOS CONDENSADORES ................................... 107 TABLA 40 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS - CAPACITOR .................................................................... 108 TABLA 41 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS - CONTACTOR .................................................................. 109 TABLA 42 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS - INTERRUPTOR DE POTENCIA ............................................ 109 TABLA 43 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS - REGULADOR AUTOMÁTICO ............................................... 110 TABLA 44 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS - CABLE THW ................................................................... 110 TABLA 45 CÁLCULO DE INDICADORES ........................................................................................... 113 TABLA 46 RESULTADOS DE INDICADORES DE EVALUACIÓN ............................................................. 114 file:///C:/Users/EDER/Documents/Correción%20de%20estilo/U.%20Continental/SIN%20CORREGIR/13.%20Alexandra%20Corzo/1.1Alexandra%20Corzo.docx%23_Toc63685379 12 RESUMEN El trabajo de investigación tuvo por objeto describir las características de los parámetros de la calidad de energía eléctrica en el sistema de utilización de la Clínica Rebagliati en el 2020, analizados bajo la Norma Técnica de Calidad de Servicios Eléctricos (NTCSE) y las normas internacionales como el IEEE 519-1992, IEEE1159-1995 (R2001), la IEC 61000. El tipo de investigación fue científica, el diseño descriptivo simple, mientras que para el análisis de la información se obtuvieron 6025 registros de mediciones de calidad mediante el analizador de redes Unilyzer 902 y se consiguieron 6 registros de mediciones de puestas a tierra con el Telurómetro Hurricane, modelo HR-521. Los resultados de la investigación muestran que el nivel de tensión, frecuencia, distorsión armónica total y armónicos individuales se encuentran dentro de los límites establecidos, asimismo se observa un desbalance de tensión del 3.4042%, un factor de potencia de 0.8679 menor a lo establecido y sistemas de puesta a tierra deficientes al no cumplir con lo establecido en el código nacional de electricidad. Palabras clave: calidad de energía, sistema de utilización, norma técnica de calidad de servicios eléctricos. 13 ABSTRACT The purpose of the research work was to describe the characteristics of the electrical power quality parameters in the Rebagliati Clinic utilization system in 2020, analyzed under the Technical Standard for the Quality of Electrical Services (NTCSE) and International Standards such as IEEE 519- 1992, IEEE1159 - 1995 (R2001), IEC 61000, the type of research was scientific, the simple descriptive design, for the analysis of the information, 6025 records of quality measurements were obtained using the Unilyzer 902 network analyzer and 6 records of grounding measurements were obtained with the Hurricane Tellurometer, model HR-521. The results of the investigation show that the level of voltage, frequency, total harmonic distortion and individual harmonics are within the established limits, a voltage unbalance of 3.4042% is observed, a power factor of 0.8679 lower than established and systems of poor grounding by not complying with the provisions of the national electricity code. Keywords: Power quality, utilization system, Technical Standard for the quality of electrical services 14 INTRODUCCIÓN La presente tesis: “Descripción de los parámetros de la calidad de energía eléctrica del sistema de utilización de la Clínica Rebagliati (Huancayo) en el 2020”, se estructura en cuatro capítulos. En el capítulo I se presenta el planteamiento del problema, objetivos, justificación y limitaciones para la incógnita: ¿cuáles son los parámetros de la calidad de energía eléctrica del sistema de utilización de la Clínica Rebagliati (Huancayo) en el 2020? El objetivo principal es describir los principales parámetros de la calidad de energía. Para esto se analizarán los datos basándonos en la Norma Técnica de Calidad de Servicios Eléctricos (NTCSE), y estándares internacionales como el IEE 519-1992, la IEC 61000. Dentro del capítulo II se describen los antecedentes del estudio, tomando en cuenta referencias bibliográficas e investigaciones similares a nivel internacional y nacional. Así mismo, se desarrollan las bases teóricas en calidad de energía, normatividad y sistema de utilización. El capítulo III muestra la metodología a emplear, tipo y alcance de la investigación, población, técnicas e instrumentos de recolección y procesamiento de datos. En el capítulo IV. Resultados y análisis de resultados, interpretamos los resultados obtenidos a base de la NTCSE y las normas internaciones de calidad de energía, propuesta de diseño de banco de condensadores. Finalmente se establecen las conclusiones y recomendaciones. 15 CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO 1.1. Planteamiento y formulación del problema El término calidad de energía eléctrica surge años después de la incorporación de los semiconductores y dispositivos electrónicos con su respectiva aplicación en circuitos electrónicos y la electrónica de potencia. Esto ocurrió desde la década de 1850, donde también se dio la modificación del uso de la corriente continua por una corriente alterna por sus ventajas superiores, lo que permitió la transmisión, distribución y comercialización de grandes cantidades de potencia a largas distancias. En 1963 se creó el IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers) por la fusión de dos institutos previos (IRE + AIEE = IEEE). Con el inicio de las problemáticas eléctricas causadas por los componentes electrónicos, esta organización inició sus estudios e investigaciones para implantar los estándares mínimos de calidad de energía eléctrica que se deberían cumplir. (1) Actualmente no se tiene una definición estandarizada referida a calidad de energía eléctrica, por lo que se emplean así las normas internacionales con mayor relevancia como la IEC y el IEEE. El término calidad de energía eléctrica definido por la IEC 61000-4-30 hace referencia a las “características de la electricidad en un punto determinado de la red eléctrica evaluadas con relación a un conjunto de parámetros técnicos de referencia”. (2) Del mismo modo el IEEE 1159-1995 define calidad de energía eléctrica como “una gran variedad de perturbaciones eléctricas que caracterizan las ondas de tensión y corriente en un punto determinado de la red eléctrica”. (1) Por tanto, cuando se habla de calidad de energía eléctrica, se hace referencia tanto a la calidad de las señales de tensión y corriente en la red, como a la compatibilidad electromagnética. La calidad de energía eléctrica considera las perturbaciones electromagnéticas y las eléctricas que puedan afectar la continuidad del servicio eléctrico y ocasionar daños a los equipos. 16 Según la agencia que administra la red eléctrica alemana, los indicadores del SAIDI (System Average Interruption Frecuency Index), índice que determina el tiempo de interrupción del servicio eléctrico, demuestran que la cifra de minutos fuera de actividad de la red alemana disminuyó a valores mínimos históricos de 12 minutos. Esto posiciona a esta red como la segunda red eléctrica más segura y confiable, solo por debajo de Dinamarca que tiene una media inferior a los 10 minutos de interrupción del servicio. Otros casos que se deben de tener como ejemplo es el de Italia y Holanda que presenta una media de 40 y 24 minutos. Estudios basados en los indicadores de SAIDI y SAIFI realizados por la Superintendencia de Servicios Públicos en Colombia muestran que los usuarios de Electrocaquetá Electricaribe, Dispac, Cedenar, empresa de energía de Cundimarca y Enertolima presentan entre 55 y 96 horas de interrupciones anuales del servicio de energía eléctrica, teniendo 38 horas como promedio nacional de cortes de energía eléctrica en Colombia. La empresa de electricidad de Tuluá es la entidad que tiene un mejor indicador de calidad de servicio eléctrico en Colombia con tan solo tres horas de interrupciones en todo el periodo del año 2016. (3) Según evaluaciones del SAIDI y SAIFI en Argentina y considerando todas las interrupciones para Edenor se obtuvo que la frecuencia media por cliente es de 4,44 veces superando el indicador establecido por la RTI de 4,36 veces y la duración total de 11,48 horas se encontró por debajo del límite fijado de 13,89 horas. Para Edesur, la frecuencia media por cliente fue de 4,79 veces, superando el indicador establecido por la RTI de 2,99 veces y la duración total de 14,23 horas se halló por debajo del límite fijado de 15,88 horas. Con referencia a lo anterior se concluye que Edenor S.A. tiene una calidad de energía eléctrica eficiente en comparación a Edesur que supera los indicadores mínimos de calidad de energía eléctrica establecidos por el Ente Regulador de la Electricidad-Argentina (ENRE). (4) 17 Los parámetros de calidad de energía eléctrica en el Perú están dados por el Organismo Supervisor de la Inversión en Energía y Minería (Osinergmin) (5), creado en1996 con la finalidad de marcar los lineamientos en el área de energía y minas. Para nuestro caso, esta institución delimita los parámetros máximos y mínimos para considerar una buena calidad de energía eléctrica dentro del ámbito nacional establecido por la norma técnica de calidad de servicios eléctricos. (6) Del total de 17 empresas distribuidoras en nuestro país en promedio, el 18.60 % de las mediciones efectuadas en el segundo trimestre presentan niveles de tensión que superan las tolerancias establecidas en la Norma Técnica de Calidad de Servicios Eléctricos (NTCSE), se observa que para Lima el 19.9% de los intervalos de medición presentan sobretensión y el 5.8 % subtensión, mientras que en el resto del país el 25.4 % presentan sobretensión y el 7.2 % subtensión. El monto de compensación a nivel nacional asciende a US$ 1 290 674, lo que confirma que las empresas en especial las del interior del país no han subsanado la mala calidad detectada en las campañas de mediciones sostenidas. (5) Puntualmente para la concesionaria Electrocentro S.A., se tiene el 20.02% de mala calidad de tensión; evaluadas en el segundo semestre del 2016. Con un monto total de compensación de US$ 92 380 (BT = US$ 89 407 y MT = US$ 2 973). (5) Todos los estudios relacionados con calidad de energía eléctrica en nuestro país son referidos a empresas privadas que quieren mejorar su sistema eléctrico al tener alta presencia de cargas sensibles, como los estudios realizados a clínicas, laboratorios; estudios donde se aplicaron eficientemente el análisis de calidad de energía eléctrica y la mejora del factor de potencia que evita perdidas de energía en los conductores por calor y caídas de tensión como minimizar las penalizaciones por uso de energía reactiva; es un indicador muy importante de eficiencia energética en un suministro. En este contexto, la Clínica Rebagliati durante los meses septiembre-octubre del 2019, no brindó exámenes de diagnóstico por imágenes al tener equipos médicos fuera 18 de servicio a consecuencia de una posible mala calidad de energía eléctrica, la que causa la desconfiguración de estos. Al ser una entidad especializada en la Atención Integral de la Salud y contar con equipamiento e instrumentación médica de alta tecnología necesita de una buena calidad de Energía Eléctrica para evitar los problemas en mención, por tal motivo es indispensable realizar una constante evaluación técnica y diagnóstico del sistema eléctrico en sus etapas más críticas, como el monitoreo de la calidad de energía eléctrica para identificar las perturbaciones eléctricas existentes en un punto común de su sistema eléctrico, así como evaluar la eficiencia en términos del factor de potencia, esto facilita la ejecución de acciones preventivas contra las fallas del sistema eléctrico de la clínica. 1.1.1. Problema general ¿Cuáles son las características de los parámetros de la calidad de energía eléctrica del sistema de utilización de la Clínica Rebagliati (Huancayo) en el 2020? 1.1.2. Problemas específicos • ¿Cuáles son los valores de tensión del sistema eléctrico de utilización de la Clínica Rebagliati (Huancayo) en el 2020? • ¿Cuáles son las características del nivel de armónicos del sistema eléctrico de utilización de la Clínica Rebagliati (Huancayo) en el 2020? • ¿Cuáles son los valores del nivel de potencia del sistema eléctrico de utilización de la Clínica Rebagliati (Huancayo) en el 2020? • ¿Cuáles son las mejoras que podría establecerse a partir de los resultados obtenidos en las mediciones de calidad energía del sistema eléctrico de utilización de la Clínica Rebagliati (Huancayo) en el 2020? 19 1.2. Objetivos 1.2.1. Objetivo general Describir las características de los parámetros de la calidad de energía eléctrica del sistema de utilización de la Clínica Rebagliati (Huancayo) en el 2020. 1.2.2. Objetivos específicos • Determinar los valores de tensión del sistema eléctrico de utilización de la Clínica Rebagliati (Huancayo) en el 2020. • Determinar los valores del nivel de armónicos del sistema eléctrico de utilización de la Clínica Rebagliati (Huancayo) en el 2020. • Determinar los valores del nivel de Potencia del sistema eléctrico de utilización de la Clínica Rebagliati (Huancayo) en el 2020. • Establecer mejoras a partir de los resultados obtenidos en las mediciones de calidad energía del sistema eléctrico de utilización de la Clínica Rebagliati (Huancayo) en el 2020. 1.3. Justificación e importancia 1.3.1 Justificación técnica La realización de este estudio es justificable técnicamente, porque proporcionará información relevante a la Clínica Rebagliati acerca de la calidad de energía que están recibiendo o entregando por parte de sus equipos médicos al sistema eléctrico. 1.3.2 Justificación económica La protección de los equipos médicos conlleva a brindar un servicio continuo y con menos tiempo de interrupciones por temas de mantenimiento, para mejorar así la atención a la población. Asimismo, mediante el análisis de calidad de energía eléctrica de la Clínica Rebagliati (Huancayo) se evitarán mantenimientos correctivos que causan pérdidas de tiempo y pérdidas económicas considerables. 20 1.3.5. Importancia de la investigación El resultado de la investigación permitió a la Clínica Rebagliati tener los resultados del análisis de la calidad de energía eléctrica y así garantizar el continuo funcionamiento de sus equipos médicos de alta sensibilidad a las fluctuaciones de los parámetros de calidad de energía eléctrica. Con ello también se evitará la reducción de vida útil y los continuos gastos de mantenimiento correctivo que se tienen que realizar a consecuencia de los daños ocasionados por las perturbaciones eléctricas. La investigación se enfocará en realizar un estudio técnico y el análisis de la calidad de energía eléctrica, ya que una interrupción en nuestra sociedad significa la paralización de actividades cotidianas. Esto representa pérdidas en cualquier sector, como altas pérdidas económicas por condiciones operativas deficientes en los equipos médicos, lo que implica dejar de brindar atención o exámenes médicos de alta precisión que necesita la población huancaína. Teniendo como finalidad brindar posibles formas y métodos de soluciones preventivas y correctivas para óptimo funcionamiento de su sistema eléctrico principal. 1.4. Alcances de la investigación 1.4.1. Alcance temporal La presente investigación se desarrolló en el 2020. 1.4.2. Alcance geográfico El estudio de investigación se desarrolló en el distrito de El Tambo, provincia de Huancayo, departamento de Junín, situado a una altitud de 3250 m s.n.m. promedio, con un clima característico del valle del Mantaro. 1.5. Limitaciones 1.5.1. Limitaciones de información Actualmente, nos encontramos en una situación delicada a nivel nacional por la pandemia ocasionada por la COVID-19, por lo que se emitieron distintos decretos de 21 urgencia con la finalidad de controlar y prevenir los diferentes factores de riesgo de contaminación. Esto llevó consigo dificultades de información al momento de realizar las mediciones en la Clínica Rebagliati. 22 1.6. Descripción de variables y operacionalización de variables Tabla 1 Descripción de variables y operacionalización de variables OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES Autor Alexandra Silvana Corzo Hormaza Título Descripción de los parámetros de la calidad de energía eléctrica del sistema de utilización de la Clínica Rebagliati (Huancayo) en el 2020 Problema ¿Cuáles son los parámetros de la calidad de energía eléctrica del sistema de utilización de la Clínica Rebagliati (Huancayo) en el 2020? Caracterización Variable Calidad de la energía eléctrica Definición conceptual Calidad de energía eléctrica se da cuando se cumple los estándares de calidad que debe tener todo suministro de energía, en términos de tensión o voltaje continuo, forma de onda sinusoidal (V, I), frecuencia estable y atención continua del servicio eléctrico. Definición operacional Variable que expresa ausencia de interrupciones, deformaciones producidas por armónicos, variaciones de voltaje. Variable de caracterización Calidad de energía eléctrica Dimensiones o subvariables Indicador Unidad Tipo de variable Instrumento Tensión V Voltios Numérica Analizador de redes / multímetro Frecuencia Hertz Hertz Numérica Armónicos THD Porcentaje Numérica Flicker Pst / Plt -- Numérica Factor de potencia Factor Porcentaje Numérica Sistema de PAT Resistencia Ohmios Numérica 23 CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO 2.1. Antecedentes del problema 2.1.1. Antecedentes Internacionales A. La tesis titulada “Análisis de la Calidad de la Energía del sistema eléctrico de la zona cultural universitaria de la UNAM” tiene como objetivo presentar un análisis de la calidad de la energía del sistema de distribución subterráneo de la ZCU” (7), con las siguientes conclusiones: i. “Con respecto al desbalance de tensión, se observa que todas las dependencias cumplen con lo establecido en las normas: IEC - 61000 - 4 - 30, IEEE-1159, IEC-61000 - 2 - 2 y la especificación CFE L0000 - 45.” (7) ii. “Los indicadores de variaciones de tensión de corto plazo (PST) y de largo plazo (PLT) se encuentran dentro de los parámetros establecidos por las normas: IEC - 868, IEC-61000 - 3 - 3 y la especificación CFE L0000 - 45.” (7) iii. “Los resultados de la distorsión armónica máxima permitida en la tensión, con base en la norma STD-IEEE 519 y la especificación de CFE, CFE L0000 - 45; se concluye que este parámetro está dentro del rango permitido.” (7) B. En la tesis titulada “Análisis de Calidad de Energía en los edificios utilizados por el Hospital León Becerra” (8) se tiene las siguientes conclusiones: i. “En general podemos decir que los trasformadores trabajan por debajo del 60% de la capacidad total, esta condición es un desperdicio de utilidad y funcionalidad, este porcentaje de trabajo de los transformadores representa una generación de bajo factor de potencia hacia las líneas de distribución que puede ser sujeto de penalización, esta situación de bajo factor de 24 potencia provoca pérdidas de disipación de potencia en las líneas de la empresa eléctrica distribuidora. Hay situaciones que se presentan en este sistema que son exclusivos de las cargas que se encuentran conectadas, hay cargas que generan un factor de potencia bajo, que inyectan potencia reactiva capacitiva al sistema, esta energía reactiva entregada al sistema por esta carga pudiera ser consumida por las cargas que generen potencia reactiva en atraso.” (8) ii. “Los problemas en el sistema eléctricos del Hospital León Becerra ha sido por el factor de potencia de las cargas y el desequilibrio de corriente entre las fases y claro está por la unión de los sistemas por los neutros.” (8) iii. “El correcto balanceo en conjunto con la corrección del factor de potencia ha demostrado que se puede mejorar el rendimiento de las cargas y estamos seguros de que al disminuir las corrientes de neutro generadas por las fases al balancear las cargas también disminuiremos los índices por distorsión armónica.” (8) C. En la tesis titulada “Análisis de la calidad de distribución de energía eléctrica del Hospital Sagrado corazón de Jesús del Cantón Quevedo” (9) se evidencian las siguientes conclusiones: i. “El sistema de distribución de energía del HSCJ muestra que existen áreas muy importantes que no están siendo abastecidas por los generadores dando lugar a situaciones en las que la vida de una persona dependa del uso y necesidad de un equipo que requiera energía para funcionar.” (9) ii. “El HSCJ evidencia un sistema eléctrico saturado producto de los incrementos de carga sin análisis de las capacidades de los tableros y centros de carga que a su vez son obsoletos, los disyuntores son descontinuados y provoca interrupciones que causan malestar a los usuarios de esta casa de salud.” (9) 25 iii. “El HSCJ a pesar de las falencias existentes en el sistema de distribución de la energía cumple con las regulaciones de calidad del producto impuestas por el ARCONEL ya que todos los parámetros analizados se conservan en los límites tolerables.” (9) iv. “Una vez realizado el análisis para la redistribución de energía eléctrica, es posible trasladar cargas importantes hasta el tablero del generador de respaldo.” (9) D. En la tesis titulada “Análisis de calidad de la energía eléctrica en el área centro de diagnóstico por imágenes del Hospital Luis Vernaza usando la regulación del CONELEC N.° 004/01” (10) se aprecian las siguientes conclusiones: i. “Se analizaron datos que demuestran que tanto en el análisis del sistema de 220 V como en el de 460V existe presencia de transitorios, los cuales No Cumplen la Norma del CONELEC 004/01, ya que se detectó un aumento del 10 % del voltaje nominal en el sistema de 220 V y un aumento del 19% del voltaje nominal en el sistema de 460 V. Al realizar el análisis de distorsión armónica de corriente y voltaje se encontró que en el sistema de 220 V los niveles detectados Si Cumplen la Norma del CONELEC 004/01 y la Norma IEEE 519. Caso contrario sucedió en el sistema de 460 V donde el análisis realizado en distorsión armónica de voltaje Si Cumple la Norma del CONELC 004/01, pero el análisis de la distorsión de corriente los niveles detectados No Cumple la Norma IEEE 519 en el P.D.P de 460 V. El sistema de puesta a tierra para el sistema de 220V y el de 460V se encuentran dentro de los parámetros normales 233 y cumplen con la norma IEEE 1100- 2005 estableciendo que la resistencia de malla de puesta a tierra debe ser menor o igual a 1 Ω.” (10) ii. “Para determinar la calidad del producto que se está suministrando al HLV, se aplicó diferentes normas estándares, entre las más utilizadas fueron la Regulación del CONELEC 004/01 y la IEEE que establecen niveles 26 adecuados de parámetros eléctricos facilitando el diagnóstico 232 posterior a los datos medidos en el proceso de análisis de calidad de energía eléctrica realizado.” (10) iii. “El analizador de redes eléctricas aplicado al análisis de calidad de energía eléctrica efectuó el proceso de obtención de datos para realizar el proyecto con datos precisos y confiables dado que capto los diversos fenómenos que afectan directamente al sistema eléctrico del edificio del CDI.” (10) iv. “Se presenta un presupuesto referencial para la implementación de resultados, como es la instalación de equipos supresores de pico en las áreas del CDI tanto para voltaje de 220 y 460 basándose en normas estándares de la IEEE C62.41, con lo cual se llegó al objetivo propuesto en el análisis de calidad y poder tener energía sin variaciones en el suministro de los equipos del CDI del HLV.” (10) E. En la tesis de grado “Mediciones y registro de parámetros para la calidad de energía eléctrica en el hospital Solca de Portoviejo en el área de radioterapia” (11) se muestran las siguientes conclusiones: i. “De acuerdo con los resultados mostrados en el capítulo 2, se concluye que el sistema opera en condiciones normales, el voltaje mantiene un desfasamiento correcto y su magnitud esta un 65% balanceada, se mantuvo en el margen de ±9%. En cuanto a la magnitud de voltaje por lo general salvo ciertos casos se mantiene dentro de los rangos establecidos por la norma es decir se encuentra dentro del límite del 10% de variación, en ciertos casos se evidenciaron sobre voltaje y picos transitorios.” (11) ii. “En la Etapa 2 se observó que el sistema presenta ciertos desequilibrios por la combinación de carga monofásica y trifásica en el sistema.” (11) iii. “En lo que corresponde a los valores de frecuencia estos se encuentran dentro de lo que indica la el NATSIM el cual establece un rango de variación 27 de +/- 5% veces la frecuencia nominal, que en nuestro medio es 60Hz, los datos que se obtuvieron fueron desde 59,79 Hz hasta 60,12 Hz.” (11) iv. “Dentro del análisis de voltajes, se observaron ciertos disturbios como sags, swells, flickers además de perturbaciones como subidas de voltaje debido a entrada y salida de cargas. En el análisis de voltajes transitorios, se pudo evidenciar varios eventos con valores de voltaje que fluctúan fuera del intervalo que indica la norma del CONELEC con un 10 % más del voltaje nominal, dicho evento apareció luego de graduar el equipo a niveles sensibles para captar todos los eventos mayores a un 7%. Estos eventos transitorios se dieron en un intervalo de medida de 168 horas continuas, esto nos indica que si este fenómeno transcurre secuencialmente tendremos 10 eventos por cada 24 horas, 300 por mes y 3600 por año.” (11) v. “En voltaje varió un 9% más del valor nominal por un periodo de tiempo, el cual es considerado una variación de larga duración, en el cual en un porcentaje de datos se mantuvieron al límite permitido por las normas del CONELEC, mas no obstante, en ocasiones se elevó y se mantuvo en un 9.97% el cual está bordeando a los niveles considerados como un evento transitorio.” (11) vi. “Debido a los constantes y repetitivos arranques de las cargas involucradas, ocasiona picos de sobrevoltaje y sobrecorriente. Además, estos disturbios provocan bajadas de magnitud de voltaje y luego producir picos de sobrevoltaje.” (11) vii. “Al sensar la corriente que circula por el neutro debido a que la tierra del sistema no está en buenas condiciones y por los desequilibrios de la corriente. Los valores fluctuaron de 0.1 Amp a 2 Amp en 7 tomas que se realizaron en toda el área bajo análisis.” (11) 28 2.1.2. Antecedentes nacionales A. La tesis titulada “Análisis de Calidad de Energía en Sistemas críticos de Baja Tensión”, presentada en la Universidad Nacional de Ingeniería del Perú, 2012, aporta el análisis de la problemática de las normas para su aplicación en los sistemas eléctricos críticos” (12) se aprecian las siguientes conclusiones: i. “Los sistemas eléctricos críticos de baja tensión son definidos de acuerdo con la importancia que tienen para la empresa, institución u organización, en algunos casos los sistemas eléctricos son muy críticos debido a que el fallo o mal funcionamiento del sistema se traduce en pérdidas muy grandes”. (12) ii. “La forma de garantizar un suministro de calidad para un sistema eléctrico crítico es a través de mejoras implementadas por el mismo usuario, con equipos y herramientas adecuadas para reducir el impacto de las perturbaciones o variaciones del suministro eléctrico.” (12) iii. “Los sistemas críticos de baja tensión más comunes son los centros de cómputo, los sistemas de control, los sistemas de soporte de vida, y algunos sistemas especiales, cada uno de ellos cuenta con una problemática diferente y debe realizarse un análisis para proponer un conjunto de mejoras basándonos en criterios particulares de cada sistema.” (12) iv. “En la actualidad tenemos una serie de equipos que ayudan a mejorar los niveles de calidad de energía de un determinado sistema, sin embargo, ninguno de los equipos es una solución completa para la problemática de calidad de energía de los sistemas críticos de baja tensión, sino que cada equipo ayuda a mejorar un determinado parámetro, por lo que generalmente se elabora una solución compuesta por varios dispositivos de protección.” (12) v. “La pérdida de servicios del centro de datos de la clínica privada afecta al desempeño normal de la misma, pero no la deja inoperativa, por lo que 29 debería de ser aceptable algún problema eventual en el centro de datos, sin embargo, la clínica decidió que el nuevo sistema eléctrico para el nuevo centro de datos sea considerado como una carga crítica indispensable, que no acepta ningún tipo de perturbación ni problema. Por lo que la solución presentada es la que asegura el mejor funcionamiento para un sistema eléctrico de un centro de cómputo.” (12) B. En la tesis titulada “Análisis de la calidad de energía eléctrica en Sistemas de Distribución de baja tensión-salida I S.E. Bellavista” (13) se hallan las siguientes conclusiones: i. “La falta de observación de los indicadores requeridos de Calidad de la Electricidad en el sistema eléctrico de la Salida I de la S.E. Bellavista, implica el crecimiento de averías, pérdidas y daños económicos que, por significativo en unos casos y continuados en otros, representan una pérdida económica, tanto para el usuario como para la empresa eléctrica, por lo tanto, requiere de acciones planificadas y controles permanentes.” (13) ii. “Se sugiere crear un plan de mantenimientos correctivo, predictivo y preventivo de las subestaciones eléctricas, además de un estudio de crecimiento y ubicación de cargas no lineales en el sistema de distribución eléctrica de la ciudad de Puno, con el fin de evitar fallas en las subestaciones y redes eléctricas. El control de la calidad también nos ha permitido en muchos casos orientar y ayudar a los usuarios de esta zona de estudio a que realicen juntamente con la empresa Electro Puno S.A.A, llevar a cabo su plan de mantenimiento a las redes y sus instalaciones y así puedan los usuarios usar la energía eléctrica en una forma más eficiente.” (13) C. En la tesis titulada “Evaluación de la calidad de la energía eléctrica y cálculo de la opción tarifaria adecuada para el Hospital Privado Juan Pablo II, ubicado en el distrito la Victoria provincia de Chiclayo departamento de Lambayeque” (14) se demuestran las siguientes conclusiones: 30 i. “Se realizó en el Hospital Privado Juan Pablo II, la medición y recolección de los datos correspondientes a los parámetros de calidad de energía en los aisladores tipo bushing de baja tensión del transformador (lugar donde se ubicó el analizador de redes).” (14) ii. “Se verifico los parámetros de calidad con la norma correspondiente. iii. La variación de tensión es de -6,33 % (24/03/2017 a horas 11:15pm), el cual está por debajo del valor estipulado por la norma de calidad que es de -5%. iv. La variación de la frecuencia evaluada fue de 0,07 %, que se encuentra dentro de las tolerancias de 0,6 %. v. Se observa que los valores de Flicker se encuentran por debajo de los valores aceptables tenemos que Pst<0.53, valores que se encuentran dentro de lo estipulado por la norma de calidad Pst ≤1. vi. La tasa de distorsión armónica (THD) se encuentra entre el entre el 0,02 % y el 4,0 % por lo que está dentro de las tolerancias de la norma de calidad de los servicios eléctricos con un máximo de 8 %. Los valores relativos de Vi %, también se encuentran dentro de la norma para cada armónico según tabla Nº 08 y 09. vii. La corriente eléctrica máxima registrada fue de 101,866 A y la corriente nominal del transformador de 360,85 A, por lo que no hay peligro de sobrecalentamiento. viii. El factor de potencia promedio es de 0,81, por lo que está por debajo del valor recomendado que es 0,96. ix. La potencia aparente máxima registrada fue de 51,39 kVA y la potencia aparente de transformador de potencia es de 250 kVA, por lo que no hay peligro de sobrecarga.” (14) 31 D. En la tesis titulada “Análisis de las corrientes armónicas en baja tensión y su incidencia a la calidad del producto del Hospital Regional del Cusco-2018” (15) se hallan las siguientes conclusiones: i. “De los resultados obtenidos, las componentes armónicas de tensión, expresado mediante el parámetro THDv, en todas las mediciones realizadas se observó que no transgreden la Norma Técnica de Calidad de los Servicios Eléctricos y tampoco las recomendaciones de la IEEE Std. 519 – 1992.” (15) ii. “Las componentes armónicas de corriente son las más significativas en los diferentes SED; expresado mediante el parámetro THDi se tiene valores superiores al 20%, los cuales rebasan los límites establecidos por la Standard IEEE 519 – 1992.” (15) iii. “Para alcanzar los niveles aceptables de la presencia de estas perturbaciones se ha considerado como elementos de control, la instalación de un filtro pasivo dimensionado para las armónicas 5°, 7°, 11° y 13°, el cual mejorará los parámetros operativos del sistema en forma global, tomando como función representativa la 151 corrección del factor de potencia. Logrando así la incorporación del sistema a valores dentro de lo establecido por las normas vigentes.” (15) iv. “Con la implementación del filtro pasivo mediante la utilización del modelo implementado en el software utilizado se ha podido verificar, que el THDi se reduce de un considerable 22% a un nivel aceptable del 5%. La cual mejora la calidad de energía.” (15) v. “La implementación de este tipo de filtros para mitigar las componentes armónicas de corriente, no requieren de una inversión económica alta.” (15) E. En la tesis titulada “Análisis de la eficiencia energética y calidad de la energía eléctrica en la planta industrial de procesamiento de alimentos agroindustriales CIRNMA S.R.L. en la región Puno” (16) se muestran las siguientes conclusiones: 32 i. “Al realizar las mediciones de los parámetros eléctricos de la planta CIRNMA, desarrollados en el capítulo III, de la presente investigación, se llega a la conclusión que tiene una calidad de suministro eléctrico aceptable/satisfactoria dentro de las tolerancias mínimas que son establecidas por la NTCSE- Urbano para los parámetros de Tensión el cual tiene un límite de +/- 5 % y el 100 % de las medidas tomadas están dentro de este margen; se pudo demostrar que los armónicos de tensión están dentro de las tolerancias establecidas por la norma la cual da una tolerancia de +/- 8%; para el caso de Variaciones Súbitas (VSF’) la NTCSE- Urbano da como rango aceptable [+/- 1 Hz] evidenciando que el 100 % de mediciones están dentro de la tolerancia establecida. El déficit encontrado se localizó al analizar la Frecuencia de red para el caso de Variaciones Sostenidas [∆f’k (%)], donde se evidencio que solamente el 80.9 % está dentro de la tolerancia aceptable por la NTCSE Urbano estando todas las mediciones tomadas dentro del rango del +/- 5% que establece esta norma como aceptable ± 0.6 % de la Frecuencia Nominal.” (16) ii. “Durante las mediciones realizadas no se apreció ninguna interrupción de suministro eléctrico, el suministro eléctrico de tensión fue continuo durante toda la medición y dentro de la tolerancia [+/-5%] establecida por la NTCSE- Urbano, lo cual demuestra un suministro confiable y sin interrupciones por parte del concesionario eléctrico.” (16) iii. “La instalación de un Banco de capacitores automático de 5 pasos lograra incrementar un FDP (Cos ϕ) óptimo [FDP > 0.98] de un 5.6 % a un 70.8 %, para mejorar significativamente la eficiencia de consumo energético de la planta; además se demostró que la inversión para la instalación y puesta en funcionamiento de este equipo compensador se recuperará en tan solo 2 años y 4 meses, demostrando así la factibilidad técnica y económica de esta inversión.” (16) 33 2.2. Bases teóricas 2.2.1. Definición Se menciona que existe calidad de energía eléctrica cuando la tensión y la corriente suministrada están en equilibrio, además la onda senoidal u onda fundamental tiene una frecuencia y amplitud constante. “La definición de calidad de la energía es algo indeterminado. Pero esto se puede definir como ausencia de interrupciones, sobretensión, distorsión causada por los armónicos de la red y variaciones de voltaje rms suministrada a los usuarios, que están relacionados con la estabilidad de la tensión, la frecuencia y la continuidad de los servicios eléctricos”. (17) Se trata de una buena calidad de energía eléctrica cuando no existen anomalías en la red, por lo tanto, no afecta a ningún equipo eléctrico y a usuarios, garantizando así la continuidad y seguridad del servicio eléctrico. “Se puede decir que el objetivo de calidad de energía eléctrica es encontrar una manera efectiva de corregir las interferencias del lado del usuario y los cambios de voltaje, y proponer soluciones para corregir las fallas que ocurren en el lado del sistema de la compañía de suministro de energía”. (17) 2.2.2. Fuentes de disturbios en el sistema Se darán a conocer los principales factores que provocan disturbios en la red eléctrica, fuentes que producen variaciones en la onda fundamental del suministro de energía. 2.2.2.1. Fluctuaciones de voltaje Son variaciones sistemáticas en el voltaje o una serie de cambios aleatorios, comúnmente expresadas como un por ciento del valor de la fundamental. 2.2.2.1.1. Larga duración Son niveles de voltaje suministrados con interrupciones por un periodo mayor a tres minutos. Los sobre voltaje son perturbaciones que suceden cuando existen 34 incrementos en el valor del voltaje rms en más de 5 % de la tensión nominal. Causadas por desconexión de grandes cargas de la red, energización de bancos de condensadores, inadecuado control de regulación de voltajes, mala posición de los Taps en transformadores, etc. En cambio, un subvoltaje sucede cuando existe un decremento en el valor del voltaje eficaz en menos 5 % de la tensión nominal originada por arranque de motores, desconexión de banco de capacitores, circuitos eléctricos sobrecargados, etc. 2.2.2.1.2. Corta duración Las variaciones de voltaje de corta duración comprenden caídas y subidas del voltaje e interrupciones cortas, que pueden ser consideradas como instantáneas, momentáneas y temporarias; con duraciones típicas de 0.5 – 30 ciclos, 30 ciclos – 3 segundos, 3 segundos – 1 minuto; respectivamente. Una interrupción es considerada de corta duración cuando el voltaje decrece en un valor menor del 10 % de la tensión nominal, por periodos de tiempo menores a 3 minutos según la “Norma Técnica de Calidad de Servicios Eléctricos”. (6) Las reducciones súbitas de voltaje conocidas como SAGS o DIPS están comprendidos entre el 10 % y 90 % del valor del voltaje eficaz con un tiempo de duración de 0.5 ciclos a un minuto; calcificándose como instantáneas, momentáneas o temporarias según su tiempo de duración. Causadas por fallas en el sistema eléctrico, por corrientes de arranque de cargas de gran potencia, sobrecargas, cortocircuitos, teniendo como consecuencia la disminución de vida útil de los dispositivos eléctricos, pérdidas de datos e interrupciones continuas. Las elevaciones de voltaje conocidas como SWELLS son incrementos súbitos del voltaje de alimentación en valores comprendidos entre 110 % y 180 % del voltaje eficaz, con un tiempo de duración de 0.5 ciclos a 1 minuto. Estas elevaciones de voltaje pueden ser causadas por equipos de electrónica de potencia. 35 2.2.2.2. Sobretensiones transitorias Son aquellas tensiones que se manifiestan en forma de impulsos de voltaje de corta duración, “superpuestos en la señal de alimentación y frecuentemente intermitentes” (17) con una duración menor a 2 milisegundos (ms). Generalmente son provocados por descargas atmosféricas, por la operación de dispositivos de protección, o bien por la conexión y desconexión de capacitores para corregir el factor de potencia. 2.2.2.3. Factor de potencia El factor de potencia es un indicador de eficiencia de medida de un correcto uso de la energía eléctrica, siendo la relación entre la potencia activa (kW) y potencia aparente (KVA). El rango de valores del factor de potencia está entre 0 y la unidad. Un bajo factor de potencia significa pérdidas de energía afectando directamente la eficiencia Figura 2 : Sobretensiones transitorias Fuente: “El ABC de la Calidad de Energía Eléctrica” (17) Figura 1: Fluctuaciones de Voltaje Fuente: IEEE Std. 1159-1995 – IEEE 36 en la operación del sistema eléctrico; en nuestro país un factor de potencia menor a 0.96 significa un recargo adicional a la factura eléctrica. Corregir el factor de potencia no solo evitarán recargos a la factura eléctrica sino también porque los equipos operarán de manera más eficiente, reduciendo costos por consumo de energía. Donde: • Potencia aparente S (KVA): suministrada por la empresa eléctrica • Potencia activa P (kW): consumida en el sistema • Potencia reactiva Q (KVAR): consumida en el sistema 2.2.2.4. Interrupciones de energía Una interrupción de energía es una perdida completa de tensión que puede ser menor a 1 minuto o durar varias horas; “Las interrupciones instantáneas de energía, son provocadas por una condición de falla en el aislamiento después de una operación exitosa del equipo de restablecimiento pueden tener una duración de hasta varios ciclos” (17). Estas interrupciones toman gran impacto en los sistemas de cómputo, y que una interrupción momentánea puede provocar perdida de información. “Las interrupciones temporales generalmente ocurren por algún disturbio en el sistema eléctrico (fallas en el sistema de potencia, accidentes que involucran la red de distribución, fallas de transformadores o generadores)” (17), pueden ir desde algunos Figura 3: Triángulo de potencias Fuente: “El ABC de la Calidad de Energía Eléctrica” (17) 37 milisegundos hasta varias horas. Asimismo, se pueden reducir con el uso de nuevas tecnologías como aisladores con entrehierro y limitadores de corriente. 2.2.2.5. Ruido eléctrico Es una distorsión de alta frecuencia en la señal de voltaje, generalmente provocada por transmisiones de señales de radio, lámparas fluorescentes, o bien, soldadoras eléctricas, cajas de comunicación. El ruido frecuente puede tener como consecuencia un mal funcionamiento de los equipos alimentados, sobrecalentamiento y desgaste en general. Figura 5: Ruido Eléctrico Fuente: “El ABC de la calidad de energía eléctrica” (17) Figura 4: Interrupciones Temporarias Fuente: “El ABC de la Calidad de Energía Eléctrica” (17) 38 2.2.2.6. Armónicos La función armónica se puede definir como una distorsión periódica en la forma de onda de tensión o corriente, siendo estas funciones senoidales, cuyas frecuencias son múltiplos de la señal fundamental que es del mismo periodo y frecuencia que la función original. “La aparición creciente de cargas no lineales en sistemas de distribución, tales como convertidores estáticos de potencia, controladores de motores con rectificadores controlados de silicio” (17). Un aspecto importante es que en las ondas simétricas aparecen las armónicas impares y en el caso de las ondas asimétricas podemos encontrar tanto armónicas pares e impares. 2.2.2.7. Transitorios 2.2.2.7.1. Impulso Los transitorios impulsivos son cambios repentinos de potencia a frecuencias distintas a la fundamental (60 Hz): Es unidireccional en su polaridad (+ o -). Normalmente son caracterizadas por sus tiempos de cresta y cola, la causa más común son las descargas atmosféricas. Ellos involucran altas frecuencias, por esto son amortiguados rápidamente por la componente resistiva del circuito y no son conducidos a Figura 6: Señal fundamental más tercera armónica Fuente: Armónicos en las redes eléctricas 39 largas distancias desde su fuente. Pueden excitar la resonancia de los circuitos y producir transitorios oscilatorios (17). 2.2.2.7.2. Oscilatorios “Son transitorios y sus valores instantáneos de voltaje cambiarán rápidamente de polaridad. Siempre son causados por maniobras a los equipos, tales como desconexión de línea, bancos de capacitores; cada uno de ellos tiene una frecuencia y un rango característico” (17). Tabla 2 Clasificación de los transitorios oscilatorios Fuente: “El ABC de la calidad de energía eléctrica” (17) 2.2.2.8. Interrupciones Sostenidas Son reducciones de voltajes de alimentación con una duración de tiempo mayor a 3 minutos según la “Norma Técnica de Calidad de Servicios Eléctricos” (6), regularmente son fallas de carácter permanente donde es necesario la intervención técnica para su restauración total en la red. Tenemos otros tipos de fenómenos presentes en la red eléctrica, como son los siguientes: 2.2.2.8.1. Desbalance de Voltaje “Los sistemas eléctricos trifásicos, por su propio funcionamiento suelen ser desequilibrados es decir existe diferencia de magnitudes entre las tres fases, lo que puede ocasionar problemas por sobrecalentamiento de determinadas fases debido a la mala distribución de cargas.” (17) Técnicamente, el desbalance está definido de la siguiente manera: Desbalance (%) = Tensión máxima−Tensión promedioTensión promedio CATEGORÍA MAGNITUD DURACIÓN TÍPICA Baja frecuencia Media frecuencia Alta frecuencia <5 kHz 5 – 500 kHz 0.5 – 5 kHz 0.3 – 50 ums 20 useg. 5 useg. 40 2.2.2.9. Distorsión en la forma de onda Son deformaciones de la onda senoidal fundamental (60 Hz), principalmente caracterizada por el contenido espectral de la desviación. 2.2.2.9.1. Componente de CD “Es la presencia de corriente continua en el sistema de CA (corriente alterna), este fenómeno puede ser causado por la presencia de un rectificador de media onda o de equipos que contienen diodos que se reflejan en la red” (17). 2.2.2.9.2. Armónicas “Son tensiones o corrientes sinusoidales con múltiplos integrales de la frecuencia fundamental, estas formas de onda se combinan con la frecuencia fundamental y provocan una distorsión de la forma de onda, es causada principalmente por características no lineales de los equipos o cargas conectadas” (17). 2.2.2.9.3. Notching “Los notching son perturbaciones periódicas de tensión provocada por el funcionamiento normal de los equipos electrónicos de potencia al cambiar de una fase a otra. La razón más común de este fenómeno es el convertidor trifásico, porque al cambiar entre cada fase provoca cortocircuito” (17). 2.2.2.9.4. Ruido “Son señales eléctricas con un ancho de banda inferior a 200 kHz, superpuestas a la señal básica de la corriente o tensión del sistema” (17). 2.2.2.10. Fluctuaciones de voltaje Serán cambios repetitivos en el nivel de voltaje o en ocasiones cambios asíncronos en el nivel de voltaje, los cuales comúnmente no excederán el rango de 1.05% - 0.95% con referencia al valor nominal estandarizado. Usualmente, se expresa en valores porcentuales del parámetro fundamental. Este efecto de fluctuación de voltaje se presentará usualmente con cargas capacitivas que presentan variaciones rápidas y de manera continua de la corriente. Los equipos de fundición por arco eléctrico, así 41 como soldaduras, son las causas más comunes de las variaciones del nivel de voltaje en los sistemas de distribución y en consecuencia afectando a los sistemas de transmisión. 2.2.2.11. Variaciones en la frecuencia En los sistemas interconectados, la frecuencia está dada por la relación que existe entre la cantidad de carga conectada y la disponibilidad de equipos generadores. Cuando se rompe este balance sensible por la salida de un generador o de una carga importante, se presentan cambios en la frecuencia. Los cambios que se dan dependerán de la magnitud y características de la carga afectada y también de la capacidad de respuesta de los sistemas de generación para afrontar cambios no previstos. 2.2.2.12. Cargas lineales y no lineales Se llama carga a cualquier dispositivo que usa corriente de una determinada fuente de poder eléctrica. 2.2.2.12.1. Cargas lineales Este tipo de carga se caracteriza por que la forma de onda de la corriente eléctrica de la carga es semejante a la forma de onda de la tensión suministrada, es decir el voltaje y la corriente son similares y con un mínimo o nulo grado de desfasaje. “Al aplicar una tensión senoidal, se tendrá una corriente en fase con la tensión (parte del mismo punto y llega al mismo punto en un mismo tiempo)” (17). En una carga resistiva se tiene que el factor de potencia es igual a la unidad “1”, dado que toda la potencia se transformara en trabajo o calor por lo tanto la potencia activa será igual a la potencia aparente. 2.2.2.12.2. Cargas no lineales En este caso se da que la curva de tensión suministrada y la corriente no se asemejan entre sí, por lo contrario, se presentan ondas distorsionadas con referencia a la onda fundamental, es decir no son lineales. 42 Con la continua evolución de la tecnología también vino el aumento de la presencia e influencia de las cargas no lineales en los sistemas eléctricos. Estas tecnologías revolucionarias usan componentes semiconductores, por lo que las podemos dividir en dos grupos que son las siguientes: • Electrónica de potencia Son usados en talleres y fábricas para el control de equipos de alta y muy alta potencia, por lo que son los principales causantes de la presencia de armónicos u otras distorsiones eléctricas en los sistemas de distribución y transmisión. También se tiene los variadores de velocidad, choppers, conversores y rectificadores. • Equipos con material ferromagnéticos El caso más importante será el principio de funcionamiento de un transformador de potencia, ya que la corriente de magnetización tendrá un valor muy elevado debido al nivel de tensión que provoca una saturación en el núcleo ferromagnético, este enlace entre la densidad de flujo y la excitación provocan disturbios en la forma de onda fundamental. 2.2.2.13. Parámetros de los armónicos Los armónicos son clasificados según su frecuencia, orden y secuencia. a) Orden “Considerando que la frecuencia en Perú es de 60 Hz, el orden indica la cantidad de veces que el armónico es mayor a la fundamental o también se define como la relación que hay entre la frecuencia del armónico y la frecuencia fundamental en nuestro país” (17). b) Frecuencia “Es el resultado de multiplicar el número de orden del armónico por la frecuencia fundamental de 60 Hz” (17). c) Secuencia 43 “El armónico puede tener secuencia negativa o positivo ambos son igual de perjudiciales. Los de secuencia cero, al ser su frecuencia múltiplo entero de la fundamental de 60 Hz, hace que circule una corriente igual o mayor que el de las fases a través del neutro.” (17) Tabla 3 Parámetros de los armónicos Orden Frecuencia Secuencia 1 60 + 2 120 - 3 180 0 4 240 + 5 300 - … … … N 60¨*n … Fuente: “El ABC de la calidad de energía eléctrica” *Los armónicos de los números pares no se producirán a causa de que la parte negativa y positiva de la corriente alterna son iguales o simétricas por lo que no se tendrá tensiones continuas. 2.2.2.14. Distorsión Armónica Total THD (Total Harmonic Distorsion) Las corrientes armónicas al circular por el sistema de potencia producen caídas de voltajes armónicos son capaces de distorsionar la onda del voltaje suministro. La manera de calificar una corriente o voltaje distorsionado es mediante el parámetro denominado Distorsión Armónica (THD = Total Harmonic Distortion), “dada por la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las magnitudes de las componentes armónicas individuales dividida por la magnitud de la componente fundamental.” (17) Donde: Ih = Componente armónica h = Número armónico If = Componente fundamental THD = √∑ 𝐼ℎ2𝐼𝑓 44 2.2.2.14.1. Niveles de tolerancia de Armónicos “Según la norma peruana vigente DS N.° 020-97-EM, Norma técnica de la calidad de los servicios eléctricos, los valores eficaces (rms) de las tensiones armónicas individuales (Vi) y los THD, expresado como porcentaje de la tensión nominal del punto de medición respectivo, no deben superar los valores límite (Vi’ y THD’) indicados en la siguiente tabla. Para efectos de esta norma, se consideran las armónicas comprendidas entre la dos (2º) y la cuarenta (40º), ambas inclusive.” (18) Tabla 4 Niveles de tolerancia de armónicos Fuente: “DS N.° 020 – 97 – EM – NTCSE del Perú” (6) ORDEN (n) DE LA ARMÓNICA o THD TOLERANCIA |Vi| ó |THD| (% con respecto a la Tensión Nominal del punto de medición) Para tensiones mayores a 60 kV Para tensiones menores o iguales a 60kV (Armónicas Impares no múltiplos de 3) 5 7 11 13 17 19 23 25 mayores de 25 2.0 2.0 1.5 1.5 1.0 1.0 0.7 0.7 0.1+2.5/n 6.0 5.0 3.5 3.0 2.0 1.5 1.5 1.5 0.2+2.5/n (Armónicas impares múltiplos de 3) 3 9 15 21 mayores de 21 1.5 1.0 0.3 0.2 0.2 5.0 1.5 0.3 0.2 0.2 (Pares) 2 4 6 8 10 12 mayores de 12 1.5 1.0 0.5 0.2 0.2 0.2 0.2 2.0 1.0 0.5 0.5 0.5 0.2 0.5 THD 3 5 45 2.2.2.15. Teorema de Fourier “Cualquier forma de onda compleja periódica no senoidal se puede representar como la suma de ondas puras (senoidales y cuyas frecuencias son múltiplos enteros de la principal) llamadas armónicas.” (17) 2.2.2.16. Espectro de Fourier Es un método matemático para la transformación de una señal que está en función de tiempo a una frecuencia (análisis frecuencial de las señales). También se puede decir, que muestra la amplitud de cada armónico en función al rango. Figura 7: Descomposición de una onda compleja según el Teorema de Fourier Fuente: Paper Armónicos en los sistemas Eléctricos (18) Figura 8: Espectro de Fourier Fuente: Paper Armónicos en los sistemas Eléctricos. (18) 46 2.2.2.17. Series de Fourier para cálculo de armónicos “Cualquier señal periódica por compleja que sea, se puede descomponer en la suma de una señal sinusoidal y una serie de componentes armónicas. La frecuencia de estos armónicos es un múltiplo de la frecuencia fundamental o frecuencia de referencia. El resultado de esta secuencia armónica se denomina serie de Fourier, que establece una relación entre una función establecida en el dominio del tiempo y su correspondiente expresión en el dominio de la frecuencia.” (17) La serie de Fourier de una función periódica x (t) de periodo T está dada por la siguiente expresión: 2.2.2.18. Condiciones Resonantes El caso más importante será el principio de funcionamiento de un transformador de potencia, ya que la corriente de magnetización tendrá un valor muy elevado debido al nivel de tensión que provoca una saturación en el núcleo ferromagnético, este enlace entre la densidad de flujo y la excitación provocan disturbios en la forma de onda fundamental. 2.2.2.18.1. Flujos normales de las corrientes armónicas “Las corrientes armónicas tienden a fluir desde la carga no lineal (fuente armónica) hasta la impedancia más pequeña, generalmente la fuente generadora. La impedancia de la fuente de alimentación de la red pública es mucho menor que la ruta paralela proporcionada por la carga. Sin embargo, la corriente armónica se distribuye de acuerdo con la relación de impedancia. Los Figura 9: Formula de Fourier Fuente:https://web.mat.upc.edu/lali.barriere/as/serie-fourier.pdf https://web.mat.upc.edu/lali.barriere/as/serie-fourier.pdf 47 armónicos de orden superior fluirán hacia el elemento capacitivo, que tiene una pequeña impedancia a altas frecuencias.” (17) 2.2.2.18.2. Resonancia paralelo La resonancia paralela se da de la siguiente manera: “Cuando la inductancia y la reactancia capacitiva son iguales a la misma frecuencia. Si la combinación del banco de condensadores y la inductancia del sistema provoca una resonancia en paralelo cerca de uno de los armónicos característicos generados por la carga no lineal, la corriente armónica excitara el circuito oscilante” (17) Como resultado, se genera una corriente amplificada que oscilará entre la energía almacenada en el inductor y capacitor; esta corriente provocará una distorsión en la onda fundamental de tensión. 2.2.2.18.3. Resonancia serie “Es el resultado de la combinación en serie del banco de condensadores y la inductancia del transformador o la línea. La resonancia en serie proporciona una ruta de baja impedancia a las corrientes armónicas y tiende a capturar algunas de las corrientes armónicas a las que está sintonizado el circuito LC resonante. La resonancia en serie puede causar un alto nivel de distorsión de voltaje entre la inductancia y el condensador del circuito en serie”. (17) “Para poder determinar el efecto de resonancia de los capacitores, se puede hacer un análisis, simplificando el circuito equivalente de la instalación de un banco de capacitores en un sistema.” (17) 2.2.2.19. Efecto de los armónicos Los efectos de los armónicos se ven reflejados tanto en la red de distribución, en conductores, máquinas eléctricas y protecciones, pero son difíciles de cuantificar, ya que estos dependen de muchos factores. 48 2.2.2.19.1. Efecto en los transformadores Los transformadores son máquinas eléctricas que transfieren energía de un circuito a otro, mayormente con cambio de voltaje de reducción o elevación para lograr un funcionamiento adecuado y mayor vida útil es importante la disipación de calor producido por el efecto joule, esto se obtiene cuando operan a niveles de frecuencia que fueron diseñados (en Perú a 60 Hz) también a su carga nominal y temperatura de funcionamiento. o Valor eficaz de la corriente “Si el tamaño del transformador está determinado solo por la potencia en KVA de la carga, la corriente armónica hará que el valor efectivo de la corriente sea mayor que su capacidad, lo que conducirá a un aumento en la pérdida del conductor.” (17) o Pérdidas por corrientes circulantes “Son aquellas corrientes reducidas en el trasformador provocado por el flujo magnético. Estas corrientes fluyen en los devanados, núcleos y otras partes conductoras bajo la influencia del campo magnético del transformador. Generan corrientes circulantes a medida que aumenta el cuadrado de la frecuencia de la corriente, por lo que es una componente muy importante de las pérdidas del transformador; para el calentamiento por las armónicas.” (17) o Pérdidas en el núcleo Las pérdidas en el núcleo en la presencia de armónicos dependen básicamente del efecto de las armónicas sobre el voltaje aplicado y el diseño del núcleo del trasformador. “El aumento de la distorsión de voltaje aumentará la corriente circulante en las laminaciones del núcleo y su efecto neto dependerá del espesor de las laminaciones del núcleo y de la calidad el acero”. (17) 49 2.2.2.19.2. Efecto en cables y conductores Las corrientes armónicas tienden a circular a través de una fina corona externa del conductor, lo que reduce la sección eficaz del mismo y provoca su sobrecalentamiento. Se sabe que un amperio armónico de orden no provoca un calentamiento n2 veces superior al de la misma corriente que compone la fundamental. 2.2.2.19.3. Efecto en las barras de neutros “Las barras de los neutros transportan corriente de secuencia negativa y positiva, que se generan por el desequilibrio de cargas más la secuencia cero producidas por las anteriores. Por la situación anterior la barra del neutro está diseñada para soportar la misma corriente de fase, pero es fácil de sobrecalentar debido a la carga no lineal. Se recomienda que la capacidad de corriente en la barra de los neutros sea igual al doble de fase.” (17) 2.2.2.19.4. Efecto en los motores de inducción En toda máquina que funciona con corriente alterna las armónicas generan principalmente mayores pérdidas y menor torque. 2.2.2.19.4.1. Perdidas en los motores de inducción Cuando un motor de inducción se alimenta con tensión que contiene armónicas, se incrementa las perdidas, principalmente estas son las siguientes: a) Pérdidas por efecto joule “Cuando el motor funciona con una tensión que contiene armónicos, estas pérdidas aumentan debido al efecto piel y/o por la corriente de excitación.” (17) b) Pérdidas en el núcleo “Aumenta con la excitación de voltajes no senoidales, estas pérdidas son una función de la densidad de flujo magnético en el motor” (17) 50 2.2.2.19.4.2. Torque en el motor de inducción “En un motor de inducción, los armónicos de secuencia positiva harán contacto en la misma dirección de rotación del eje. De lo contrario, los armónicos de secuencia negativa cancelarán estos dos efectos en una situación que generalmente se ignora. Si el cable neutro está conectado, entonces estos dos efectos se cancelarán, los de secuencia cero el par producido será nulo.” (17) El resto de las armónicas ocurren en tres secuencias, en términos de efecto de rotación, cuanta más alta es la frecuencia el motor girará más rápido; si es un armónico de secuencia positiva el motor gira en sentido horario, si es secuencia negativa gira en sentido antihorario y si es frecuencia cero, estos no giran y se agregan en el neutro. 2.2.2.20. Dispositivos para filtrar la distorsión armónica Si la distorsión armónica supera ciertos valores produce muchos problemas que necesitan ser contrarrestados para eliminar así las distorsiones en la onda fundamental, estos dispositivos se les conoce como filtros. a) Filtros pasivos lineales “Los filtros lineales constan de componentes lineales (como inductores y condensadores) que permiten el paso de frecuencias eléctricas básicas y atenúan otras frecuencias, que pueden aparecer en forma de ruido” (17), siendo los más empleados para la descontaminación armónica en los sistemas eléctricos por su facilidad de operación. 2.2.3. Normatividad 2.2.3.1. Normas Nacionales En nuestro país se tiene la NTCSE, la cual fue aprobada mediante DS N.° 020- 97-EM (6) con el fin de garantizar a los usuarios un suministro eléctrico continuo, adecuado, confiable y oportuno. El control de calidad evalúa: calidad de producto (tensión, frecuencia, flicker, armónicos), calidad de suministro (interrupciones), calidad 51 de servicio comercial (trato al cliente y medios de atención) y calidad de alumbrado público. 2.2.3.2. Normas Internacionales El propósito de las normas técnicas es la búsqueda de una energía de calidad, donde se definen tolerancias en cuanto a las variaciones de tensión y de frecuencia, otras normas limitan las armónicas de corrientes, el voltaje de distorsión, fluctuaciones de tensión y duraciones de interrupciones de suministros. Las principales normas referidas a calidad de energía eléctrica están dadas por el IEE y la IEC. • IEEE SCC-22 “Normas de Coordinación Comité de Calidad de Energía encargada de coordinar las actividades de IEEE relacionados con la calidad de la energía eléctrica, además de incluir el desarrollo de guías, practicas recomendadas, normas y definición de términos y fenómenos.” (1) • IEEE – 519 “Control de Armónicos en Sistemas Eléctricos de potencia, encargada de recomendar límites en la distorsión armónica como establecer la limitación sobre la cantidad de corriente armónica que el consumidor puede inyectar en la red de distribución eléctrica y establecer la limitación en el nivel de tensión armónica que una compañía de distribución eléctrica puede suministra al consumidor”. (1) “De acuerdo con los criterios establecidos por la IEE-519-1992, se señalan la cantidad de distorsión aceptable en el voltaje que entrega la compañía de electricidad es decir de los valores máximos para el índice de THDv en porcentaje de la tensión nominal a su frecuencia fundamental. Estos límites son para condiciones que tengan una duración de más de una hora y para periodos cortos, estos límites pueden ser superados un 50%.” (1) 52 Tabla 5 Límites de distorsión de tensión Fuente: “IEEE 519 - 1992” Tabla 6 Límites de distorsión de corrientes armónicas para cargas no lineales Donde: ▪ Isc: corriente de corto circuito máximo en el PCC ▪ IL: corriente de carga de demanda máxima en PCC ▪ TDD: Distorsión de la demanda total (RSS), distorsión de corriente armónica en % de la demanda de carga máxima. ▪ PCC: Punto de acoplamiento común • IEC 61000-2-2 “Compatibilidad electromagnética encargada de establecer el nivel de compatibilidad para las perturbaciones conducidas de baja frecuencia y señalización en las redes públicas de baja tensión de los sistemas de suministro de energía eléctrica.” (2) Voltaje de barra en el punto de acoplamiento común (PCC) Distorsión individual de voltaje (%) Distorsión total del voltaje THD (%) Hasta 69KV 3.0 5.0 De 69.001 KV a 161 KV 1.5 2.5 161.001 KV y más 1.0 1.5 Los sistemas de alto voltaje pueden llegar hasta un 2.0 % en THD cuando lo que causa es un alto voltaje terminal DC, el cual podría ser atenuado. Distorsión armónica máxima de corriente en tanto por ciento de IL (corriente de carga) Orden Armónico individual (Armónicos impares) Isc/IL <11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h THD <20 20<50 50<100 100<1000 >1000 4.0 7.0 10.0 12.0 15.0 2.0 3.5 4.5 5.5 7.0 1.5 2.5 4.0 5.0 6.0 0.6 1.0 1.5 2.0 2.5 0.3 0.5 0.7 1.0 1.4 5.0 8.0 12.0 15.0 20.0 Armónicos pares se limitan a 25% de los límites de los armónicos impares anteriores Fuente: IEEE 519-1992 53 • IEC 61000-3-6 “Compatibilidad electromagnética, encargada de la apreciación de los límites de emisión para la conexión de las instalaciones que distorsionan a media tensión, alta tensión y extra alta tensión en los sistemas de potencia.” (2) • IEC 61000-3-4 “Compatibilidad electromagnética, encargada de la limitación de las emisiones de corrientes armónicas en sistemas de baja tensión de suministro de energía para los equipos con corriente asignada superior a 16”. (2) • IEC 61000-4-7 “Compatibilidad electromagnética, técnicas de ensayo y medición, guía general de armónicos, interarmónicos y mediciones e instrumentación, para alimentación de sistemas y equipos conectados a la misma.” (2) 2.2.4. Equipo de medición 2.2.4.1. Analizador de redes Las redes de distribución de media tensión se utilizan principalmente para suministrar energía a clientes industriales. Es fundamental que el diseño y funcionamiento de todo el sistema eléctrico requieran de estudios de calidad para garantizar un correcto funcionamiento. Para determinar la calidad, cantidad, flujo y uso óptimo de estas redes de forma objetiva y eficaz se utilizan los analizadores de redes, que son instrumentos capaces de analizar las características de la red eléctrica, especialmente aquellas características relacionadas con la reflexión y transmisión de señales eléctricas, llamados parámetros de dispersión. 2.2.4.2. Unilyzer 902 El analizador de redes utilizado como instrumento de recolección de datos es el Unilyzer 902 que cumple la norma IEC 61000-4-30 (técnicas de ensayo y de medida - Métodos de medida de la calidad de suministro), clase A, es un instrumento de campo con certificación IP65 a prueba de polvo e impermeable, con una alta funcionalidad para estas exigencias, tiene una opción de modem interno y una interfaz Ethernet que permite 54 el acceso remoto a la unidad. Para sitios muy remotos se puede conectar un modem GSM al dispositivo, lo que le ayudara a ahorrar tiempo y dinero, ya que puede descargar los archivos de medición y volver a configurar el dispositivo sin ir al sitio de instalación. 2.2.4.2.1. Funciones Las principales funciones que cumple el analizador de redes Unilyzer 902 es la identificación automática de transductores de corrientes, la medición de parámetros como tensión (V), corriente (A), potencia activa (W), potencia aparente (VA), potencia reactiva (VAr), energía (kWh), factor de potencia (FP), frecuencia (Hz), índice de severidad de flicker a corto plazo (Pst), índice de severidad de flicker a largo plazo (Plt), transitorios, variaciones de tensión en corta duración (sags / swells), distorsión total de armónicos (THDv y THDi), armónicos pares e impares, inter armónicos, desbalance de tensión y corriente, entre otros. 2.2.4.2.2. Normas El equipo de medición cumple con las siguientes normas internacionales: a. La Norma Europea de Compatibilidad Electromagnética (EMC) • EN 50081-1,2 (Emisiones en ambiente residencial, comercial e industria ligera) • EN 50082-1,2 (Inmunidad en ambiente residencial, comercial e industria ligera) Figura 10: Unilyzer 902 Fuente: Unipower 55 b. Características de voltaje: • EN 50160 (Características de la tensión suministrada por las redes generales de distribución) • EN 61000-2-2 (Niveles de compatibilidad para las perturbaciones conducidas de baja frecuencia y la transmisión de señales en las redes de suministro público en baja tensión) • EN 61000-2-12 (Niveles de compatibilidad para las perturbaciones conducidas de baja frecuencia y la transmisión de señales en las redes de distribución pública en media tensión) c. Comisión electrotécnica internacional (IEC) • IEC 61000-4-7 (Técnicas de prueba y medición - Guía general sobre mediciones e instrumentación de armónicos e interarmónicos, para sistemas de suministro de energía y equipos conectados a ellos) • IEC 61000-4-15 (Técnicas de prueba y medición - Medidor de parpadeo - Especificaciones funcionales y de diseño) • IEC 61000-4-30 (Técnicas de ensayo y de medida. Métodos de medida de la calidad de suministro) ❖ Clase A: Es el requerimiento de medida más exigente y se debe utilizar cuando sean necesarias medidas precisas, como la verificación del cumplimiento de las normas o los contratos de liquidación de energía. • IEC 60529, IP65 (Grados de protección proporcionados por las envolventes) 2.2.5. Sistema eléctrico de utilización 2.2.5.1. Sistema de utilización en media tensión “Consiste en un conjunto de equipos eléctricos de media tensión, desde el punto de entrega hasta los terminales de baja tensión del transformador, y su finalidad es suministrar energía eléctrica a la propiedad. Estas instalaciones pueden estar ubicadas 56 en la vía pública o en propiedad privada (excepto subestaciones), que siempre deben estar instaladas en propiedad de los interesados.” (19) 2.2.5.2. Pruebas eléctricas • Pruebas de aislamiento y continuidad de la red de media tensión. “Deben realizarse desde el extremo del cable o conductor, cortocircuitando el otro extremo del mismo.” (19) • Pruebas del sistema de puesta a tierra. “Se debe verificar el valor de resistencia de puesta a tierra especificado en el Código Nacional de Electricidad.” (19) 2.2.5.3. Requerimientos generales en una clínica 2.2.5.3.1. Circuitos en áreas de cuidados básicos “Los circuitos derivados que suministran energía a tomacorrientes y equipos eléctricos conectados en un área de cuidados básicos” (20) deben ser conectados a un sistema de puesta a tierra. Los circuitos utilizados para la alimentación de tomacorrientes o equipos médicos eléctricos conectados permanentemente, en una sala de atención de pacientes deben alimentar solo a las cargas ubicadas dentro de tal puesto. Todos los circuitos derivados de la sala de atención al paciente deben ser alimentados desde: o Un solo tablero o Dos tableros: siempre que uno de ellos forme parte del sistema eléctrico básico. 2.2.5.3.2. Enlace a tierra en áreas de cuidados básicos Deben conectarse a tierra todos los tomacorrientes y equipos médicos permanentemente conectados, “por medio de conductores de cobre de enlace equipotencial de equipos, cuyas secciones no sean menores que las requeridas para 57 los conductores del circuito, y que sean tendidos de acuerdo con la Regla 060-808, o que sean tendidos con los conductores del circuito” (20), de acuerdo con lo siguiente: a) “Cada circuito derivado, de hilos múltiples, debe ser provisto de su propio conductor de enlace equipotencial de equipos”. (20) b) “Cada circuito derivado de 2 hilos que alimente un tomacorriente en un puesto de atención de pacientes, debe tener su propio conductor de enlace equipotencial de equipos, con excepción de lo permitido en los párrafos (c) y (d).” (20) c) “Cuando los tomacorrientes en un puesto de atención de pacientes sean servidos por dos circuitos derivados de 2 hilos, instalados en la misma canalización, se permite un solo conductor de enlace equipotencial de equipos, compartido por ambos circuitos.” (20) d) “En el caso de tres circuitos derivados de 2 hilos cada uno, que alimentan un conjunto de tomacorrientes en dos puestos adyacentes de atención de pacientes, y uno de los circuitos está previsto para ser compartido por los dos puestos, se permite que los tres circuitos compartan dos conductores de enlace equipotencial de equipos.” (20) 2.2.5.4. Tomacorrientes en áreas de cuidados básicos • “En un puesto de atención de pacientes, se deben ubicar los tomacorrientes de forma de minimizar la probabilidad de que sean utilizados para otro puesto de atención de pacientes, para el cual no han sido previstos.” (20) • “Los tomacorrientes ubicados en áreas en cuya limpieza rutinaria se utilice líquidos que puedan normalmente salpicar las paredes, deben ser instalados a no menos de 300 mm del piso.” (20) • “Todos los tomacorrientes de 15 A y 20 A, no bloqueables, deben ser del tipo aprobado para hospitales.” (20) 58 2.2.5.5 Circuitos en áreas de cuidados intermedios e intensivos “En las áreas de cuidados intermedios e intensivos, los circuitos derivados que suministran energía a los tomacorrientes y otros equipos conectados permanentemente deben, a su vez, estar alimentados por un sistema de puesta a tierra que cumpla con los requisitos o un sistema de aislamiento que cumpla con los siguientes requisitos: Reglas 140-200, a menos que la carga se proporcione a la estación de atención al paciente. Todos los circuitos deben ser de 2 hilos a menos que alimenten equipos multifásicos.” (20) 2.2.5.6. Enlace a tierra en áreas de cuidados intermedios e intensivos • “Los enlaces a tierra, en áreas de cuidados intermedios e intensivos, deben cumplir con la Regla 140–104, independientemente de si la fuente de energía proviene de sistemas puestos a tierra o aislados.” (20) • “Si se proporciona un punto de contacto en la estación de atención al paciente, debe estar conectado al tablero de distribución que sirve a la estación de atención al paciente”, (20) el punto está asociado por medio de: i. “Un puente de enlace que conecte el punto