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Eliminación de Corrientes Armónicas en Redes de Distribución

El fenómeno de la contaminación armónica en las redes de distribución, nunca había sido abordado como un problema real, siendo visto como un fenómeno que ocurría a nivel industrial. Sin embargo, con la entrada en vigencia de la nueva Norma Técnica de Calidad de Servicio para Sistemas de Distribución, se han desarrollado las Campañas de Medición, cuyos resultados muestran que la distorsión armónica está presente en las redes y va en aumento. Debido a esto, ha tomado relevancia la incorporación de dispositivos que puedan mitigar el contenido armónico de corriente en las redes de distribución.

Armónicos presentes en la red de distribución BT y sus efectos

Dentro de las componentes armónicas de corriente presentes en la red de distribución (BT), la que trae mayor problema para un sistema Delta-Estrella son las armónicas llamadas “Homopolares” o “Triplens”, que son las de orden impar múltiplos de tres. Estas poseen la particularidad de que se encuentran en “fase”, por lo tanto no se anulan en el neutro de la red, generando como resultado una alta corriente de neutro que se propaga hasta el transformador de distribución, aumentando las pérdidas en los conductores y en los devanados del transformador.

Una clara señal de que el sistema está contaminado con corrientes armónicas homopolares es ver la relación de magnitud que existe entre las corrientes de fase y la corriente de neutro, pues en un sistema lineal la corriente de neutro es la suma vectorial de cada fase, por lo tanto, como cada fase esta desfasada en 120º, la suma vectorial dará un valor residual equivalente a la resta numérica de la fase mayor menos el promedio de las dos fases menores, corriente conocida como “desbalance”:


Donde IM es la corriente mayor de las tres fases e Im1 con Im2 son las otras fases de menor magnitud. Ejemplo: en una medición de siete días, los valores RMS promedios del período son:

IR = 100 (A), IS = 80 (A), IT = 70 (A) e IN = 45 (A). Calculamos IN por desbalance de fases:


La diferencia entre los 45 (A) medidos y los 25 (A) de desbalance (20 (A)), es componente armónico homopolar y puede ser eliminado de la red ayudando a la eficiencia de esta y, a su vez, bajar los índices de TDD y THDi para cumplir con los limites exigidos.


Es muy importante señalar que las cargas electrónicas de baja tensión en el área informática, iluminación, equipos médicos y de oficinas, son en un 90% generadoras de armónicos homopolares, por lo tanto la componente “triplens” medida en las subestaciones de distribución, donde se encuentren conectados estos tipos de carga, sin duda estará por sobre los limites exigidos. (ver gráfico 1)


Norma Técnica de Calidad de Servicio para Sistemas de Distribución, ¿qué pide?

La NTD busca hacer más eficientes y seguros los sistemas de distribución, definiendo límites para la contaminación armónica, controlando el índice TDD (Total Demand Distortion) y el THD (Total Harmonic Distortion) de corriente. Estos índices son registrados durante una semana y compactados cada 10 minutos. La medición se realiza en el Punto Común de Conexión.

La Norma Técnica también define la ubicación del PCC dependiendo del uso que se le dé al transformador que alimenta a los usuarios. Es así como define tres casos o tipos de conexión a la red:


Para estos casos, la Norma Técnica define los limites de TDD en los distintos PCC según la relación que existe entre ISC dividido por IL, donde ISC “corresponde a la máxima corriente de cortocircuito en el punto común de conexión (PCC)” e IL “corresponde al promedio de los máximos valores efectivos de la componente fundamental de la corriente de carga de un Usuario en (A), medidos en el PCC correspondiente. Para el cálculo de dicho promedio se deberá considerar el valor ma´ximo mensual para cada uno de los últimos 12 meses. En caso de que no se disponga del valor de IL, se podrá estimar como el promedio de los máximos valores eficaces de corriente, registrado diariamente durante el período de evaluación”. (ver tabla 2)


Como las Campañas de Medición nos darán los niveles de THDi, debemos calcular los equivalentes de TDD en función de la siguiente expresión:


A continuación, se muestra una tabla resumen (Tabla 3) de ejemplo con la equivalencia entre TDD y THDi, según las relaciones entre la corriente de cortocircuito, la corriente fundamental máxima del período y la corriente fundamental promedio, para determinar los límites de THDi que se deben cumplir en los respectivos PCC:


La NTD indica en el artículo 3.8 una tabla con los niveles porcentuales de cada armónica con respecto a la señal fundamental de corriente, para mediciones directamente en los empalmes individuales o Puntos de Conexión de clientes BT1 y no BT1.


¿Cómo mitigar en forma segura el THDi (o TDD) para lograr los valores recomendados?

Dado que una de las componentes armónicas de mayor valor que circula en el lado de baja tensión es la tercera armónica, una solución bastante óptima para evitar este problema y cumplir con los estándares, es la instalación de bobinas de reinyección de armónicos homopolares, conocidas como SAC-D o Loopers, que operan de forma instantánea, ya que son reactores pasivos de muy baja impedancia para las armónicas homopolares, por lo tanto las atrapan absorbiéndolas del cable de neutro y reinyectándolas a las fases para que el usuario disponga de ella, evitando que lleguen al transformador. Es equivalente a compensar el factor de potencia con un banco de condensadores. La aplicación de la tecnología i-Lopp posee como efecto neto en la red la reducción de la pérdida Joule (I2R) del conductor de neutro y de los devanados del transformador.

El siguiente circuito muestra la circulación de la corriente contaminada entre la carga y la subestación de distribución de baja tensión (Delta-Estrella) con las corrientes propagándose por el cable de neutro y las fases hacia el lado izquierdo del circuito. En cambio, el lado derecho de la red muestra la circulación de las armónicas triplens, entre la carga y el SAC-DA. Para el ejemplo del edificio, las corrientes quedan atrapadas en el tablero de Espacios Comunes donde se ubica el SAC.

A continuación, se muestra el perfil de corriente de neutro de una subestación de distribución durante una semana. El gráfico de color rojo es la corriente de neutro normal de una subestación contaminada con corrientes armónicas, en cambio el perfil de color azul nos muestra el efecto de conectar el equipo SAC a la red (medición real de una subestación).

Se aprecia con absoluta claridad la disminución de corriente de al menos un 60%. Este cambio mejora la estabilidad y equilibrio del sistema, así como las pérdidas del mismo.




Experiencia del uso de bobinas de reinyección

Una experiencia exitosa en el uso del dispositivo SAC posee la Empresa Eléctrica Puente Alto (EEPA), y hemos solicitado al Subgerente de Operaciones, Luis Alberto Werner, que comparta su experiencia técnica luego de aplicar la tecnología i-Loop a sus redes.
Luis Alberto Werner.

¿Ha demostrado la campaña de medición que el problema del TDD existe?
Efectivamente, en los 7 meses que llevamos realizando mediciones hemos encontrado que el problema de los armónicos de corriente es definitivamente, por lejos, el principal problema que debemos corregir o mitigar, tanto así que problemas de regulación, desequilibrio, factor de potencia, sobrecarga y otros prácticamente no son un problema en nuestra red, pero de las 70 mediciones a la fecha, 10 por mes, 66 presentan este fenómeno. Esto se incrementará por el uso de luces LED y otros equipos que “cortan” la señal de corriente; por ello se debería llegar a desarrollar una normativa que regule este tipo de fenómeno en los equipos que se venden, por el efecto e ineficiencia que genera en la red, fenómeno que es causado por el cliente.

¿Cómo califica su experiencia en el uso del reactor SAC?
Nuestra experiencia confirmó los efectos esperados. La corriente de neutro disminuyó a más de la mitad en todos los casos aplicados. Los niveles de THDi bajaron hasta ubicarse dentro de los límites exigidos y los voltajes en la subestación tendieron a equilibrarse al igual que las corrientes. Y todo ocurrió al momento de la conexión de los equipos.

¿Cuál es la ventaja técnica de utilizar un reactor en comparación a usar un Filtro?
Lo primero es el costo. El hecho que el SAC sea libre de mantención y que por su forma de operación no puede entrar en resonancia con el sistema, da mucha seguridad, ya que no inyecta corrientes reactivas cuando no hay presencia de armónicos.

¿El montaje del dispositivo es seguro y rápido?
Así es. Nuestra experiencia en la instalación de los equipos demuestra que no es necesario interrumpir el suministro a nuestros clientes, ya que el dispositivo se ancla al poste y se conecta en paralelo a la red mediante conectores estándares. Es rápido y seguro. Además, posee un sistema de autoprotección, lo que le permite desconectarse en caso de presentarse una falla en el sistema, y luego de despejada la falla se reconecta automáticamente.

¿Cuáles serían sus observaciones técnicas generales de la aplicación?
En general, podríamos decir que cumplió con nuestras expectativas y que solucionó un problema real que son las corrientes armónicas homopolares, así como ayudó indirectamente al equilibrio del sistema y mejorar la eficiencia reduciendo pérdidas en la red.

Con la implementación de este tipo de soluciones, EEPA seguirá a la vanguardia en la Seguridad y la Calidad de Servicio ofrecida a sus clientes. Es el objetivo de nuestra compañía y el compromiso que tenemos con nuestros usuarios. ?


Industrias Alterna S.A. – Juan Elías Nº1701 - Recoleta - Santiago.
www.alternasa.com
Septiembre 2019
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