10

Capítulo 2.

2. TERMINOLOGÍA Y DEFINICIONES

2.1. Inconsistencia en la terminología

Existe la imperiosa necesidad de unificar las terminologías y definiciones, ya que como

ocurre con toda temática nueva coexisten numerosas fuentes de información, cada una de

ellas usando su nomenclatura propia que complica el entendimiento. Inconveniente que aún

se ve agravado por todavía una mayor discrepancia en la traducción de los términos de su

idioma de origen al Castellano.

Por ejemplo, a nivel internacional el tema de referencia se designa preponderantemente

como Calidad de Potencia (Power Quality), en cambio en nuestro medio se lo denomina

Calidad de Energía Eléctrica, manteniéndose a la fecha una importante y totalmente inútil

discusión respecto al nombre más apropiado.

Las dos fuentes más importantes de normas sobre Calidad de Potencia son las emitidas por

el Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), Norteamericano y las

provenientes de la International Electrotechnical Commission (IEC), Europeas, existiendo

también en ese continente las normas de la comunidad europea que se designan como

European Standards (EN) y Comité Européen de Normalisation Electrotechnique

(CENELEC), las cuales se analizarán en detalle en oportunidad de estudiar los problemas

particulares.

Las mencionadas normalizaciones poseen distintos grados de avance y profundización en

los diversos temas de la calidad, existiendo todavía algunas divergencias de nomenclatura

entre ellas. Otro problema de desentendimiento se presenta en la categorización de los datos

medidos y en la elaboración de análisis estadísticos. Estos inconvenientes están siendo

resueltos lenta pero continuamente

En nuestro medio, como ya se mencionó, se habla de la calidad del producto técnico y del

servicio técnico (con el agregado de la Calidad del servicio comercial), lo cual se encuentra

especificado en las Leyes y Decretos Nacionales, resoluciones de los Entes Reguladores

(ENRE y Entes Reguladores Provinciales) y en los Contratos de Concesión. Por ejemplo en

el caso de Argentina, en oportunidad de la privatización de Servicios Eléctricos del Gran

Buenos Aires (SEGBA) se mencionan en el Subanexo 4 del Contrato de Concesión,

titulado: Normas de Calidad del Servicio y Sanciones; Reglamento de Suministro [10].

Siguiendo la reglamentación nacional, el producto técnico suministrado se refiere al nivel

de tensión en el punto de alimentación y las perturbaciones (variaciones rápidas, caídas

lentas de tensión, y armónicas), incorporando armónicas y flicker. En cambio, el servicio

técnico involucra a la frecuencia y duración de las interrupciones de suministro. Se pone de

manifiesto la diferencia entre el primero que es clásicamente Calidad de Potencia y el

segundo que se incluía anteriormente en Confiabilidad.

Por otra parte, a nivel internacional se estudian y reglamentan una serie importante de

perturbaciones, muchas de las cuales no se mencionan en los marcos reglamentarios

locales, como las que se listan a continuación y que serán posteriormente estudiadas en

detalle.

Primeramente resulta oportuno efectuar una división entre perturbaciones de régimen

transitorio y permanente, sin que esta clasificación deba tomarse en forma estricta,

encontrando que algunos de los eventos pueden incluirse en ambas categorías.

11

Podemos clasificar como permanentes a las siguientes:

- Armónicos (incluyendo interarmónicos y subarmónicos)

- Muescas

- Flicker

- Sobretensión de larga duración

- Ferroresonancia

- Subtensión de larga duración

- Desbalance de fases

Las que se listan a continuación se identifican como eventos de régimen transitorio:

- Huecos de tensión

- Interrupciones cortas (micro-cortes)

- Swells

- Sobretensiones impulsivas

- Sobretensiones oscilatorias

Los principales problemas de Calidad de Potencia (en orden de importancia actual) son:

- Huecos de tensión

- Armónicas

- Interrupciones de corta duración (micro-cortes)

- Interrupciones de larga duración

- Sobretensiones transitorias

- Flicker

- Desbalance de tensiones

- Swells o sobretensiones pasajeras

2.2. Definiciones

A continuación se listan las definiciones de las principales perturbaciones y problemas

relacionados con la Calidad de Potencia. La mayoría de las definiciones han sido extraídas

de las normas internacionales, comentando las discrepancias entre ellas en caso de que

existan.

Interrupción momentánea, temporaria o sostenida: es la pérdida total de tensión (<

0,1 p.u. o 0,01 p.u. según normalización IEEE o IEC respectivamente) en uno o más de

los conductores de fase por un tiempo entre 0,5 ciclos y 3 segundos, de 3 segundos a un

minuto y mayor a 1 minuto respectivamente [11, 12]. Las principales causas de

interrupciones son aperturas de interruptores, operación defectuosa de interruptores y

seccionadores, conductores cortados, falta de potencia de generación, etc. El término

“apagón” (blackout) también se utiliza para indicar interrupciones sostenidas. En

nuestro medio, la definición de interrupción dada por nuestro marco regulatorio es

bastante antigua o desajustada con las necesidades actuales, ya que solamente se la

considera cuando su duración excede los tres minutos. Un caso clásico de

12

interrupciones es la operación de los reconectadores, como se muestra en la Figura 2.1

[13].

Figura 2.1, Operación de un reconectador mostrando interrupciones reiteradas.

Hueco de tensión: Disminución del valor eficaz de tensión a la frecuencia de potencia

con duraciones de 0,5 ciclos a 1 minuto. El valor mínimo de medio ciclo es una

extensión forzada del concepto de valor eficaz, suponiendo que el primero y segundo

semiciclo son iguales, excepto el signo, por lo que puede determinarse el valor eficaz

con ese lapso reducido. Según la duración, similarmente al caso de la interrupción

reciben el nombre de hueco de tensión momentáneo, temporario o sostenido. Las

normas IEEE lo denominan “sag”, en cambio las IEC y en Europa en general lo llaman

“dip”, siendo ambos nombres totalmente equivalentes [14]. El origen de los huecos de

tensión radica en las descargas atmosféricas, cortocircuitos, sobrecargas bruscas, etc.

Esta perturbación es de alta incidencia, por lo que será estudiada en detalle. La

capacidad de los equipos para soportar los huecos de tensión conjuntamente con las

elevaciones pasajeras de tensión (swells), está limitada por las curvas de susceptibilidad

o inmunidad (ITIC, CBEMA, SEMI F47, etc.), donde los eventos por debajo de la línea

límite producen la desenergización de la carga, los correspondientes por sobre el límite

superior pueden causar fallas de aislación, disparos por sobretensión o sobre-excitación.

La Figura 2.2 muestra un ejemplo simple de hueco de tensión.

Incremento pasajero de tensión: Incremento del valor eficaz de la tensión a la

frecuencia de potencia por tiempos desde 0,5 ciclos a 1 minuto. La denominación

citada, o también “Elevación pasajera de tensión”, son poco usadas en los textos en

Castellano, prefiriéndose el empleo de “swell” que es su nombre en Inglés. Tal

perturbación es principalmente causada por cortocircuitos, actuación de reguladores

automáticos de tensión y conexión de capacitores. En la Figura 2.2 se muestra una onda

de tensión, la cual posee ambos tipos de efectos, hueco de tensión (0,75 p.u.) seguido de

incremento de la misma (1,25 p.u.). El swell también se expresa en valor eficaz,

haciendo similarmente la consideración de que la onda medida en medio ciclo se

repetirá en el medio ciclo siguiente. Es necesario especificar el ancho de la ventana para

13

la cual se calcula el valor eficaz, ya que usualmente la magnitud de este tipo de

perturbación no es constante para el tiempo de registro. El índice de ocurrencia del

incremento pasajero de tensión no es muy elevado, por lo que no será estudiado en

profundidad.

Figura 2.2, Hueco de tensión de cuatro ciclos, seguido de Incremento pasajero (swell) de

cinco ciclos.

Salto de fase: También denominado corrimiento de fase, es el desplazamiento en

tiempo de una onda con respecto a otra de la misma frecuencia y contenido armónico

sincronizada con la alimentación. Se origina conjuntamente con los ya definidos Hueco

de tensión y Swell, por lo que es debido a las mismas causas como es la conexión y

desconexión de fuertes cargas, maniobras de líneas en paralelo, aumento o disminución

de la potencia de cortocircuito del sistema, establecimiento e interrupción de

cortocircuitos, etc. Esta discrepancia angular se debe a la diferencia existente entre las

relaciones X/R del circuito antes, durante y después de la perturbación [15]. Por las

características constructivas de los circuitos de los sistemas eléctricos o sea por los

cambios normales de la relación X/R, los saltos de fase son mayoritariamente de valor

negativo, o sea se trata de retrasos de la onda de tensión al establecerse el hueco de

tensión. Este fenómeno afecta primordialmente a los equipos electrónicos cuya

conmutación está fijada por el ángulo de fase, como es el caso de los dispositivos

basados en el principio de Lazo bloqueado por fase (Phase locked loop, PLL). La

14

Figura 2.3 ejemplifica un caso de hueco de tensión donde también se pone de

manifiesto el salto de fase en la onda de corriente.

Figura 2.3, Salto de fase en corriente por presencia de un hueco de tensión.

Dropout voltage: Tensión por debajo de la cual el equipo sensible pasará a la

condición desenergizado (en la jerga técnica se denomina “caída” del equipo). Es

producida usualmente por una auto-protección incluida en el dispositivo, que bloquea

su funcionamiento cuando la alimentación insuficiente puede llegar a provocar errores

de operación. Usualmente es seguida de un re-arranque que puede ser controlado o no.

Como se explicará más adelante, el pasaje a desenergizado no es solo función de la

tensión aplicada, sino que también depende de la duración de la subtensión, tensión

previa a la perturbación, etapa del ciclo de trabajo en que se encuentra, etc.

Ride-through capability: Habilidad del equipo sensible para soportar interrupciones

momentáneas y huecos de tensión sin salir de servicio. También se la denomina

inmunidad y normalmente se expresa con una gráfica tiempo-tensión, que como se

mencionó en el párrafo anterior, requiere mayor número de parámetros para su

completa individualización.

Tiempo (s)

Corr

ien

te (

A)

Tiempo (segundos)

15

Armónicas: Cualquier onda periódica, independientemente del nivel de distorsión que

posea, puede ser descompuesta en una suma de componentes senoidales de frecuencias

múltiplos de la correspondiente a la onda original, con sus correspondientes fases, más

una componente unidireccional (de corriente continua). Estas componentes senoidales

de la onda original que tienen una frecuencia que es un múltiple entero de la frecuencia

fundamental se las denomina armónicas y se identifican por tal múltiplo, que se llama

orden de la armónica. La onda correspondiente al número 1 (uno), posee la frecuencia

de la onda original y se denomina componente fundamental. Normalmente, la distorsión

de la onda de tensión y corriente, y por ende la presencia de las armónicas, es generada

por la existencia de cargas no-lineales como lo son los equipos con semiconductores e

inductancias saturadas. La Figura 2.4 muestra una onda simple con solamente la

componente fundamental y presencia de 2° y 5° armónicas.

Figura 2.4, Onda distorsionada por la existencia de armónicas 2° y 5°.

Interarmónicas: Se define como la componente senoidal de una onda repetitiva

teniendo una frecuencia que no es un múltiple entero de la frecuencia fundamental. La

presencia de esta componente no transgrede la definición dada en el ítem anterior, pues

su aparición se debe a la falta de periodicidad de la onda original bajo análisis. En el

mundo real, este tipo de onda no periódica es bastante común. Las interarmónicas son

generadas por las cargas, tales como los convertidores estáticos, ciclo-convertidores,

motores de inducción, dispositivos de arco, etc. [16]. Uno de sus efectos principales es

la generación de parpadeo en lámparas fluorescentes y de arco. Ver Figura 2.5.

16

Subarmónicas: Siguiendo con el concepto enunciado previamente, extendido a orden

de armónica inferior a 1, surge la siguiente definición: componente senoidal de una

onda repetitiva teniendo una frecuencia que es un submúltiplo de la frecuencia

fundamental.

Figura 2.5, Onda de tensión con contaminación debida a la presencia de interarmónicas.

Factor de distorsión: Definido como la relación entre la raíz cuadrada de la sumatoria

de los valores eficaces al cuadrado del contenido de armónicas y el valor eficaz de la

cantidad fundamental, expresada como porciento de la fundamental, también

denominado factor de armónicas.

Distorsión total de demanda (TDD): Raíz cuadrada de la suma total de valores

eficaces al cuadrado de las corrientes armónicas, en porciento de la corriente de carga

máxima demandada. Esta definición es muy importante para evitar de sobredimensionar

el problema, como es el caso típico de la corriente de vacío de un transformador con un

elevado contenido de armónicas, pero que afecta solo ligeramente al sistema.

Distorsión armónica total (Total Harmonic Distortion, THD): Este término se ha

difundido ampliamente para definir el “factor de distorsión” tanto para corriente como

para tensión. En Argentina y países vecinos se lo denomina Tasa de Distorsión Total,

TDT. A pesar de su uso muy difundido, este factor es solo global, o sea que carece de la

17

capacidad de mostrar cual es el orden del armónico de mayor importancia o magnitud.

En la actualidad es posible encontrar contaminación de valores elevados en órdenes

altos de armónicas, que no ocurría hace unos años y además los equipos sensibles

poseen diferente inmunidad para distintos órdenes de armónicas [3].

Parpadeo (flicker): Variación de la tensión de alimentación de magnitud, frecuencia y

duración suficiente para permitir la visualización del cambio de la intensidad luminosa

de la iluminación eléctrica empleando lámparas incandescentes. Se trata de una

sensación sumamente subjetiva, por lo que se han desarrollado equipos de medición

(flickermeter) que simulan el efecto de la variación de tensión en el sistema lámpara-

ojo-cerebro, cuantificando el efecto sobre el individuo a partir de la variación de tensión

[17]. La unidad de sensibilidad se denomina PST (índice de corto tiempo), siendo el

valor 1 el umbral de detección. Este fenómeno es causado principalmente por hornos de

arco de corriente contínua y alterna, máquinas de soldar, cargas alternativas y

recíprocas, generadores eólicos, etc. Por tratarse de un problema muy difundido de

calidad de potencia, se estudiará especialmente en un capítulo exclusivo. Ver Figura

2.6.

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

Tiempo (s)

Vo

lta

je (

p.u

.)

Figura 2.6, Presencia de flicker en la onda de tensión de alimentación.

Muesca: Disturbio de la forma de onda normal de tensión, con una duración inferior a

medio ciclo, que inicialmente posee polaridad opuesta siendo por ello restada de la onda

senoidal. Los principales generadores de las muescas son los dispositivos electrónicos

de potencia, especialmente los convertidores. Tales dispositivos, al ser controlados por

compuerta permiten la variación del ángulo de conmutación y por ello controlan la

tensión y potencia de salida. Una medida adoptada en los convertidores controlados,

con el objeto de aumentar el rendimiento del equipo, es el adelanto del instante de

conmutación. Se produce de esta manera un cortocircuito momentáneo entre fases, que

si es de corta duración es soportado sin inconvenientes por los semiconductores de

potencia, dando como resultado neto un mejor aprovechamiento del equipo. La Figura

2.7, muestra el efecto de una rectificación trifásica de onda completa, poniéndose de

manifiesto las seis muescas por ciclo, con el agregado de la oscilación lógica de alta

frecuencia que se genera en el momento que se interrumpe el cortocircuito. Este evento

normalmente no perjudica a los equipos sensibles conectados al sistema, salvo algunos

casos muy raros de resonancias a la frecuencia de la oscilación mencionada, por lo que

no se lo estudiará en mayor detalle.

18

Figura 2.7, Tensión distorsionada por muescas presentes seis veces por ciclo.

DC offset: Presencia de corriente contínua en el sistema, desplazando el eje de tiempos.

La principal causa es la existencia de la denominada Corriente Geomagnética Inducida

(Geomagnetically Induced Currents, GIC), debida a disturbios geomagnéticos [18].

Transitorios impulsivos: Se trata de pulsos de polaridad unidireccional, que se

expresan por la amplitud y los tiempos de cresta (tiempo para crecer del 10 % al 90 %

del valor pico) y de cola (tiempo para descender desde el 90 % al 50 % del valor pico).

La Figura 2.6 muestra un ejemplo típico de corriente de descarga atmosférica de

polaridad negativa con una cresta de 23 kAc y duración 2/30 µs.

Figura 2.8, Onda de corriente correspondiente a una descarga atmosférica típica.

Volt

aje

(V

)

Tiempo (segundos)

Tiempo [µs]

19

Transitorios oscilatorios: Normalmente representan sobretensiones, cuya frecuencia

de oscilación depende de la inductancia y capacidad del sistema, como es el caso de la

conexión de capacitores (Figura 2.9a) o también las denominadas sobretensiones de

maniobras, presentes al conectarse porciones del sistema eléctrico (Figura 2.9b). Los

dos tipos de sobretensiones mencionadas, pueden originarse en tanto en el sistema de

alta como de baja tensión. Por su gran importancia en el daño que causan a los equipos

sensibles, ambos temas serán tratados en detalle más adelante.

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

0 0,01 0,02 0,03 0,04

Tiempo (segundos)

Te

nsió

n (

p.u

.)

Figura 2.9 a, Conexión de un banco de capacitores.

Figura 2.9 b, Sobretensión por conexión de una porción del sistema.

Subtensión: Decremento en el valor eficaz de la tensión de alterna, a la frecuencia de

potencia, para duraciones desde unas decenas de segundos o mayor a 1 minuto, según la

norma de referencia. Existen numerosas causas, usualmente se deben a la regulación

pobre del sistema o a la falta de una fase en el sistema de alimentación de media

tensión.

Sobretensión: Incremento del valor eficaz de la tensión a la frecuencia de red durante

tiempos mayores a unas decenas de segundos o algunos minutos, según la norma de

referencia. La causa se encuentra normalmente en la pobre regulación del sistema que

eleva la tensión en horas de valle de carga, operación de reguladores de voltaje,

conexión de capacitores, desconexión de cargas importantes del sistema, etc.

20

La Figura 2.10 muestra la posición en un diagrama tiempo - tensión de las perturbaciones

mencionadas previamente. La zona de valores de tensiones inferiores al 87 o 90 % y de

duración menor a ½ ciclo no se estudia, ya que los fenómenos presentes en ella no afectan a

los equipos sensibles.

Figura 2.10, Denominación de la perturbación en base a su magnitud y duración.

Ferroresonancia: Es un tipo de resonancia que ocurre entre la inductancia con hierro

del arrollamiento primario de un transformador y la capacidad concentrada (capacitor) o

distribuida (cable) cercana a este arrollamiento, en caso de que la alimentación se

produzca con faltante de una o dos fases y sin referencia de tierra. Las condiciones a

reunir para que se presente el fenómeno son tantas que reducen bastante la probabilidad

de ocurrencia. Esta situación está cambiando rápidamente en los circuitos de

distribución en media tensión, debido a la necesidad cada vez mayor de alimentación de

subestaciones urbanas por medio de cables. Por su importancia será estudiado en detalle

más adelante, pudiendo verse un caso típico en el oscilograma de la Figura 2.11.

Hueco de

tensión

Micro corte

Zona de operación normal

Subtensión

Interrupción prolongada

Sobretensión Tensión

100 %

10 %

0

Sobretensión pasajera

Sobretensión

transitoria

½ ciclo 1 minuto Duración

Zona

intrascendente

21

Figura 2.11, Onda de tensión clásica del fenómeno de Ferroresonancia.

Desbalance de tensión: Diferencias entre los vectores de las tres fases de un sistema

trifásico en magnitud o ángulo. Existen varias definiciones de su valor numérico,

dependiendo de la normalización que se siga. La definición más común es dada

numéricamente por la relación entre la componente de secuencia negativa y la

componente de secuencia positiva, expresada usualmente como porcentaje. También se

la señala como el mayor apartamiento en magnitud respecto a la tensión promedio,

dividida por este promedio y expresada en porciento. En algunos casos es dada por el

cociente entre la componente de secuencia cero y la de secuencia positiva. Ninguna de

las definiciones anteriores tiene en cuenta la posición angular de las componentes,

existiendo algunas definiciones que si contemplan el ángulo. Normalmente este

problema se debe al desbalance de cargas trifásicas, a la presencia de cargas

monofásicas y bifásicas, a la salida de servicio de una fase de bancos de capacitores,

etc.

Factor de Potencia (Desplazamiento): Es la relación entre la potencia activa de la

fundamental (W) y la potencia aparente de la fundamental (VA).

Factor de Potencia (Total o Verdadero): Relación entre la potencia de entrada total

(W) y los volta-amperios totales (VA). La definición incluye el efecto de las armónicas

en corriente y tensión. La presencia de armónicas complica la definición del factor de

potencia, ya que no existe una definición “convencional” de potencia reactiva de

aceptación universal, existen varias propuestas sin que se haya alcanzado hasta el

momento un acuerdo definitivo [3].

Factor de Influencia Telefónica (TIF): La presencia de armónicas de corriente y

tensión en circuitos asociados con aparatos de conversión de potencia, producen

campos magnéticos y eléctricos que perjudican el funcionamiento satisfactorio de los

Tiempo (milisegundos)

Volt

aje

(V

)

22

sistemas de comunicaciones, especialmente los telefónicos, debido a su proximidad y

susceptibilidad [2]. Para una disposición física dada, el disturbio es función de la

amplitud y frecuencia del componente del sistema de potencia. Según se trate de una

onda de tensión o corriente, el TIF en un circuito de alimentación, es el cociente entre la

raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de los valores eficaces cuadráticos

ponderados de todos los componentes senoidales y el valor eficaz no ponderado de la

onda completa. Los “pesos” a usar en la ponderación se encuentran tabulados como

función de la armónica de que se trate, variando desde prácticamente cero hasta 10.600

para la armónica de orden 43, causada esta diferencia en la variación de la sensibilidad

del oído humano con la frecuencia.