Creación de encuestas sobre la calidad de la energía

Utilización de una PQ-Box y del software WinPQ mobil

Las redes eléctricas son sistemas técnicos con muchos elementos que interactúan, como cargas de energía, generadores, sistemas de almacenamiento o equipos de compensación. Todos estos dispositivos están conectados de algún modo y, por tanto, deben funcionar de manera que no afecten negativamente a otros dispositivos de forma inadmisible.
Hoy en día, cada vez más consumidores de energía clásicos, como las máquinas síncronas, se sustituyen por variadores de frecuencia que proporcionan mayor eficiencia y variabilidad, pero causan nuevos problemas en rangos de frecuencia más altos.
Para regular las emisiones perturbadoras de esta variedad de cargas, a lo largo de los años se han establecido varias normas de red (por ejemplo, EN 50160, IEC 61000-2-2, IEEE-519,…). El siguiente informe muestra la interacción de una PQ-Box y el software WinPQ mobil, que se utilizan para realizar una evaluación de los niveles de perturbación en un punto de medición de acuerdo con las normas de red vigentes.

Visión general de todas las normas de la red aplicables a la calidad de la energía

La siguiente tabla ofrece una visión general de las normas de red internacionales más utilizadas. Para evaluar la calidad eléctrica en un punto de medición concreto, es importante tener en cuenta las normas que se aplican a la red medida. Como puede ver en la tabla, algunas normas se aplican a niveles de tensión específicos. En la mayoría de los casos, se considera baja tensión la tensión de bus < 1 kV, media tensión de 1 kV a 35 kV y alta tensión > 35 kV.
Los tipos de red con distintos niveles de tensión tienen características diferentes, lo que da lugar a distintos umbrales y requisitos para la evaluación de las mediciones. Algunas normas están diseñadas explícitamente para un rango de tensión específico. Las normas comunes como la EN 50160 y la IEC 61000-2-2 intentan cubrir una amplia gama de parámetros eléctricos para redes eléctricas, por ejemplo, frecuencia, niveles de tensión, parpadeo, armónicos de tensión y THD. Muestran, desde el punto de vista del proveedor de energía, qué nivel de calidad eléctrica puede esperar un cliente en un punto de conexión. Otras normas más específicas, como la IEC 61000-3-12, sólo se utilizan para evaluar los armónicos de corriente y se refieren a los requisitos que deben cumplir las nuevas cargas antes de poder conectarse a una red eléctrica.
La norma correcta que debe utilizarse para un punto de medición depende siempre de la naturaleza del problema de calidad eléctrica. Una investigación general requiere una norma universal. Si se trata de un problema específico de interferencias de alta frecuencia, es mejor recurrir a una norma específica como la IEC 61000-2-2.

EN 50160

Descripción: Características de la tensión en las redes públicas de suministro de energía eléctrica

Se aplica a: Baja, media y alta tensión (redes públicas europeas)

Cantidades suministradas:

  • Frecuencia
  • Tensión
  • Parpadeo
  • Frecuencia, Tensión, Flicker,
  • Armónicos de tensión
IEC 61000-2-2

Descripción: Compatibilidad electromagnética en redes públicas

Se aplica a: Redes públicas de baja tensión

Cantidades suministradas:

  • Frecuencia
  • Tensión
  • Flicker
  • Armónicos de tensión
  • Bandas de frecuencia de armónicos hasta 150 kHz
IEC 61000-2-12

Descripción: Medio ambiente – Niveles de compatibilidad de las perturbaciones conducidas de baja frecuencia y de la señalización en las redes públicas de suministro de energía eléctrica en media tensión.

Se aplica a: Redes públicas de baja tensión (Internacional)

Cantidades suministradas:

IEC 61000-2-4

Descripción: Compatibilidad electromagnética para perturbaciones en línea

Se aplica a: Redes industriales de baja tensión (Internacional)

Cantidades suministradas:

  • Frecuencia
  • Tensión
  • Parpadeo
  • Armónicos de tensión
IEEE 519

Descripción: Práctica recomendada y requisitos para el control de armónicos en sistemas de energía eléctrica

Aplicable a: Redes industriales de baja, media y alta tensión (Internacional)

Magnitudes cubiertas:

  • Armónicos de tensión y corriente
IEC 61000-3-12

Descripción: Límites de armónicos de corriente para cargas con corriente de línea > 16 A y < 75 A.

Aplicable a: Redes públicas de baja tensión

Magnitudes cubiertas:

  • Armónicos de corriente

Requisitos del método de medición

Para ofrecer resultados fiables, todas las normas de red exigen métodos de medición específicos del aparato de medición. Estos métodos son:

  • IEC 61000-4-30: Esta norma podría etiquetarse como la más importante y describe los parámetros generales de un dispositivo de medición de «Clase A», como la precisión, el método de agregación y los parámetros de medición importantes.
  • IEC 61000-4-15: La norma describe la medición del parpadeo.
  • IEC 61000-4-7: La norma define los procedimientos para la medición de armónicos y bandas de frecuencia de hasta 9 kHz de tensión y corriente.

Todas nuestras PQ-Boxes cumplen al 100 % estas normas y, por lo tanto, pueden utilizarse para la evaluación de todas las normas de calidad eléctrica de uso común en todo el mundo.

Configuración de la PQ-Box

La configuración adecuada del dispositivo de medición es la tarea más importante antes de iniciar una investigación, ya que hay muchos parámetros descritos en diferentes normas de red. Con el fin de permitir una configuración rápida y fácil con los mejores resultados para el cliente, el software gratuito WinPQ mobil viene junto con un conjunto completo de parámetros de las normas de calidad de energía más comunes. Nuestros expertos mantienen continuamente los valores umbral. Los cambios de los niveles de compatibilidad se actualizan automáticamente.

Figura 1: Selección de plantillas de normas de cuadrícula en el software WinPQ mobil

Las plantillas de normas de cuadrícula pueden cargarse en cualquier PQ-Box, como se ve en la figura 1. Es posible personalizar fácilmente los parámetros y crear plantillas propias basadas en nuestra selección de parámetros.
Por lo tanto, puede cambiar el intervalo de medición o ajustar la tensión nominal o la relación CT y VT a los valores requeridos. Mientras que otros medidores de calidad eléctrica requieren que los valores de medición registrados se definan antes de la medición, la PQ-Box simplemente registra todas las medidas posibles de tensión y corriente relacionadas con la calidad eléctrica, así como los valores de potencia y energía.
El registro de armónicos depende del tipo de red seleccionado (véase la figura 2). En un sistema de 4 hilos, los armónicos de tensión se almacenarán como valores de línea a neutro. En un sistema de 3 hilos, los armónicos se almacenarán de línea a línea. Las redes de media y alta tensión suelen funcionar en modo de 3 hilos. En baja tensión, la norma es un sistema de 4 hilos (TN-C), pero en algunas aplicaciones industriales, es posible enfrentarse a sistemas delta aislados. Para la evaluación según la norma IEEE 519, es posible activar el registro adicional en un intervalo de 3 segundos además del intervalo de medición estándar.

Figura 2: Selección del tipo de red en baja tensión para un correcto registro de armónicos

Conexión en el punto de medición

Para la conexión en el punto de medición, las PQ-Box ofrecen una gran variedad de equipos de medición de corriente. Nuestras PQ-Boxes detectan automáticamente el tipo de equipo, por lo que el usuario no necesita cambiar los ajustes.
Cuando se mide en el lado secundario de los TC, recomendamos utilizar mini pinzas amperimétricas. El factor de transducción del TC externo debe ajustarse en los ajustes generales del aparato. Los cables de tensión de la PQ-Box pueden conectarse directamente a la barra colectora (< 1000 V) o al lado secundario de los TT utilizando las sondas de tensión magnéticas o de delfín incluidas. El registro se inicia pulsando el botón «play» de la PQ-Box o a través del software WinPQ mobil.

Bobinas Rogowski (111.7001) para medición de corriente continua en baja tensión 1…3000 A
Minipinzas (111.7015) para medición en el secundario de TC en media y alta tensión

Evaluación de datos

Los niveles de distorsión en los sistemas de transmisión y distribución varían en función de la carga durante (1) un periodo de 24 horas y (2) entre días laborables y fines de semana. Por eso, todas las normas de calidad eléctrica requieren un análisis estadístico de los datos registrados en ventanas temporales específicas. El intervalo de evaluación más común es de al menos 7 días o sus múltiplos con un intervalo de medición de 10 minutos.
Las normas de red con intervalos de agregación más cortos, como por ejemplo la IEEE-519, requieren una evaluación estadística diaria de valores de 3 segundos. En muchos casos, no será posible iniciar y detener la PQ-Box en un momento específico, por lo que tiene sentido iniciar la medición un poco antes del inicio deseado del período de investigación y detener la medición después del final del período. Al cargar el archivo de datos con el software WinPQ mobil, es posible seleccionar una ventana de tiempo de evaluación dedicada de 1 día, 1 semana, etc.

La siguiente captura de pantalla de la figura 3 a la izquierda muestra la pantalla de inicio de una medición con una duración total de 8 días y 22 horas. Pulsando el botón de la parte inferior, es posible seleccionar un intervalo de exactamente 7 días. La hora de inicio del intervalo puede seleccionarse libremente.

Figure 3: Screenshot of startup screen

The screenshot on the left shows the startup screen of a measurement with a total length of 8 days and 22 hours. By pressing the button at the bottom, it is possible to select an interval of exactly 7 days. The starting time of the interval can be freely selected.
After loading a measurement, WinPQ software provides a number of automatic norm evaluation options:

  • Generate automatic report according to EN 50160, IEC 61000-2-2 or IEC 61000-2-4
  • Generate voltage harmonics report
  • Generate current harmonics report

The automatic report function is very useful for power standard evaluation. By one click, it generates a printable PDF report that evaluates the following Power Quality parameters:

  • Frequency
  • Voltage changes
  • THD
  • Harmonics
  • Unbalanced voltage
  • Ripple control voltage

Ejemplos

Medición en una planta fotovoltaica en una red de baja tensión

La figura 3 muestra una medición con la PQ-Box 100 en una planta fotovoltaica (unos 15 kW) en una zona remota. Tras la instalación de la planta en la casa de un agricultor, los residentes se quejaron al operador de la red por el parpadeo de las luces. La red de baja tensión tiene una tensión nominal de 230 V (línea a neutro) y está diseñada como un sistema TN-C. Para comparar la calidad de la energía con la norma de red EN 50160, se ha realizado una medición durante 7 días. Los límites de tensión de esta norma se sitúan en – 10 % (207 V) y + 10 % (253 V). Una evaluación rápida con el WinPQ mobil (figura 3) muestra la siguiente situación:

  • Los cambios de tensión están cerca del límite
  • Muchos eventos de calidad de la energía (violaciones a corto plazo de 10 ms de los límites de tensión)
  • Valores de parpadeo por encima del límite
  • Violación del límite de armónicos de tensión
Figura 4: Resumen de todos los parámetros de calidad eléctrica

Evaluación de los armónicos

Un examen más detallado del análisis de armónicos de tensión (Figura 4) muestra que todos los armónicos significativos, como 5, 7, 11 y 13, están muy por debajo del valor límite.

Figura 5: Detalles armónicos en vista gráfica

Nota: Las barras rojas y azules visualizan la evaluación estadística de la norma. La barra roja representa el percentil del 95 % (99 % en media y alta tensión) y la azul el valor máximo de todos los valores analizados.

Sólo se infringe el armónico 27 y los detalles (Figura 5) muestran un valor máximo del 0,31 % del fundamental. Los valores altos del múltiplo de tres armónicos son muy típicos de las redes de baja tensión y es muy poco probable que el nivel de perturbación medido cause problemas de Flicker.

Figura 6: Detalles de armónicos como vista de tabla con infracciones de límites resaltadas

Evaluación de los cambios de tensión

Para evaluar los altos niveles de cambio de tensión, tiene sentido echar un vistazo más de cerca al registro permanente. Utilizando el campo de selección de la izquierda, elegimos los valores Ueff (valores efectivos de tensión), PLT (parpadeo a largo plazo de UL1, UL2, UL3) y potencia activa P total.
Siempre es útil visualizar la potencia en el punto de medida cuando se analizan cambios de tensión o problemas de Flicker. Teniendo en cuenta los valores de potencia, se puede estimar si la carga se ve afectada por fenómenos en la red o si es la propia carga la creadora de perturbaciones.

El gráfico resultante muestra una clara correlación entre la entrega de potencia de la planta fotovoltaica (unos – 15 kW) y el aumento de los valores de PLT.
Durante la noche, el PLT de parpadeo a largo plazo es de aproximadamente 0,3 y aumenta hasta 1,4 en cuanto funciona la planta fotovoltaica. Este valor está claramente por encima del umbral normal de 1. El gráfico también muestra la razón del aumento del valor de parpadeo:
El parpadeo se corresponde en gran medida con los cambios de tensión. Cada vez que la planta fotovoltaica inyecta energía a la red, el nivel de tensión aumenta aproximadamente 10 V, lo que lleva a un nivel de tensión muy alto, de más de 250 V (Figura 6). La generación fluctuante de energía fotovoltaica produce niveles fluctuantes de tensión en la red, lo que provoca el parpadeo de las luces.

Figura 7: Diagrama de temporización de tensión, potencia y PLT

Conclusión

El análisis de la calidad de la energía con nuestra PQ-Box detectó cambios de tensión debidos a la alimentación de la planta fotovoltaica como origen del problema. La potencia del sistema fotovoltaico no supera el valor permitido, lo que significa que en el punto de conexión se considera que la red es demasiado débil para absorber la potencia de la planta fotovoltaica.
Al parecer, el largo cable de conexión de baja tensión (650 m) hasta la casa del granjero tenía una impedancia demasiado alta, lo que provocaba una gran caída de tensión cada vez que la planta estaba en funcionamiento. Una posible solución al problema sería la mejora de la red instalando un cable paralelo o una línea de transmisión de 1 kV hasta el hogar. Debido al elevado coste de la mejora de la red, el distribuidor de energía decidió instalar nuestro sistema de regulación de baja tensión LVRSys® en esta ubicación.
El sistema de regulación utiliza un transformador en línea controlado por tiristores para regular la tensión en el punto de conexión del cliente. Como se muestra en la figura 7, los problemas de estabilidad de la tensión pudieron resolverse con el LVRSys®.

Figura 8: Regulación de baja tensión con LVRSys®.

Autores
Jürgen Blum, Jefe de Producto de Power Quality Mobile
Ronny Steinert, Director Internacional de Cuentas Clave

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