Fluctuaciones-Perturbaciones en la alimentación eléctrica

  //   by Gerardo L. Taccone   //   Energía, NOTAS  //  Comentarios desactivados en Fluctuaciones-Perturbaciones en la alimentación eléctrica

Estadísticamente está comprobado que los problemas en la red de alimentación eléctrica son causantes de la mayoría de las perdidas de datos en los sistemas de procesamiento de la información.

Me consta y lo he comprobado que también una instalación mal diseñada, trabajando aun en valores menores a plena carga, provocará innumerables problemas de mal funcionamiento en los elementos que la componen y en los dispositivos a ella conectados.

Desde el punto de vista de la instalación eléctrica afectada podemos distinguir el origen de las fluctuaciones y perturbaciones como provenientes de fuentes externas presentes en el Sistema de Distribución de Energía Eléctrica de las producidas por los equipos pertenecientes a la propia instalación ó fuentes internas.

Fluctuaciones y perturbaciones en el Sistema de Distribución de Energía Eléctrica

La energía eléctrica se distribuye a través de un sistema de tensiones eléctricas trifásico sinusoidal.

Los parámetros fundamentales del sistema son su forma de onda (debe ser lo más cercano posible a una sinusoide), su frecuencia (un valor fijo estable) y el valor pico de la onda de fase (fijo en valor y estable en el tiempo).

Los sistemas actuales de distribución de energía eléctrica distan mucho de un modelo ideal presentando variaciones sistemáticas y aleatorias en sus parámetros.

Estas fluctuaciones ciclo a ciclo pueden ser provocadas por múltiples causas que en la jerga común se las conoce por como se manifiestan en el tablero de entrada. Las mencionaré haciendo una breve referencia a la solución.

  • Corte de energía. Desaparición absoluta de la energía eléctrica. Para solucionarlo se debe recurrir a grupos electrógenos de emergencia trifásicos.
  • Caídas de voltaje (sag ó dip). Caídas del voltaje nominal durante cortos períodos. Es el problema de energía más común en las perturbaciones de energía. La solución es disponer de un Sistema de Alimentación Ininterrumpida (SAI) trifásico.
  • Bajo ó alto Voltaje. Es cuando el voltaje de entrada esta fuera de norma por periodos prolongados. Generalmente son situaciones de baja tensión, los casos de valores mas altos que el fijado en la norma son poco frecuentes. Se lo corrige con equipo Estabilizador de Tensión ó con sistema SAI.
  • Pico de tensión. Es un fuerte aumento instantáneo en el valor del voltaje. Este pico tiene características de impulso en la corriente eléctrica. Es producido por ejemplo luego de la caída de un rayo en zonas cercanas cuya energía viaja por las líneas eléctricas o telefónicas (transitorios por descarga atmosférica) ó en el retorno de la alimentación de energía eléctrica luego de un corte (transitorios por conmutación). Se soluciona previendo en la entrada de la instalación sistemas supresores de transitorios con la inclusión de dispositivos descargadores de corriente y sobretensiones.

Fluctuaciones y perturbaciones en la instalación provenientes de fuentes internas

La búsqueda de la excelencia en el diseño, cálculo e instalación de la red eléctrica contribuirá  a minimizar el efecto de las fluctuaciones y perturbaciones provenientes de fuentes internas. La presencia de estas anomalías puede afectar el normal funcionamiento de los dispositivos electrónicos no intercomunicados e impactará más aún en los sistemas intercomunicados con inteligencia distribuida (sistemas informáticos y de control).

En las instalaciones actuales la coexistencia de las redes datos (corrientes de baja intensidad, señal) y las redes de distribución de energía eléctrica (transporte de grandes intensidades) es físicamente inevitable por lo cual es importante considerar las características del ruteo de los cableados.

También deben ser considerados los efectos relacionados con la compatibilidad electromagnética (CEM) de los equipos, es decir,  la capacidad de un dispositivo, equipo o sistema de funcionar de manera satisfactoria en su entorno electromagnético sin introducir perturbaciones en cuanto se halle en dicho entorno. Los fenómenos producidos por transitorios, corrientes o campos radiados de alta frecuencia (AF) afectan la CEM.

Así mismo, el diseño del Sistema de Puesta a Tierra de la instalación influirá directamente en el correcto tratamiento de las fluctuaciones y perturbaciones. Lograr la equipotencialidad de las masas en baja frecuencia (BF) y alta frecuencia (AF)  garantizará el funcionamiento correcto de los equipos.

Brevemente analizaremos las causas de las perturbaciones en la forma de onda y las características generales del sistema de puesta a tierra

Perturbaciones en la forma de onda producidas por corrientes y tensiones armónicas

La deformación en la forma de onda sinusoidal puede sobrepasar ciertos límites  en las redes que tienen fuentes de perturbaciones armónicas tales como: hornos de arco, convertidores estáticos de potencia, ciertos tipos de alumbrado, etc.

Las tensiones y corrientes armónicas (transitorias, cíclicas ó estables) superpuestas a la onda fundamental provocan sobre el equipamiento eléctrico efectos no deseados de dos tipos:

1.    Efectos instantáneos

En los sistemas electrónicos, las tensiones armónicas pueden perturbar los dispositivos de regulación e influir en los circuitos de conmutación.

Las corrientes armónicas provocaran vibraciones y ruidos acústicos  en los aparatos electromagnéticos (transformadores, inductancias, máquinas rotativas)

También las líneas de datos situadas paralelamente a una canalización de distribución eléctrica con corrientes y tensiones deformadas estarán afectadas por estas perturbaciones.

2.    Efectos permanentes

El efecto, más importante a largo plazo, producido por los armónicos son la perdidas por calentamiento. En forma general todo equipamiento eléctrico (transformadores, motores, cables, etc) sometido a tensiones o atravesados por corrientes armónicas sufre aumento en sus pérdidas.

El alumbrado con lámparas de descarga,  tubos fluorescentes y lámparas fluorescentes compactas es generador de corrientes armónicas estables. La componente armónica de tercer orden puede tomar valores significativos hasta llegar a sobrepasar el valor el valor pico de la fundamental.

Para limitar las tensiones armónicas de la red a valores aceptables (existen especificaciones y normas al respecto) se emplean filtros activos y pasivos. Será necesario considerar la presencia de corrientes armónicas en el cálculo de la sección y la protección del neutro pues transporta la suma de las corrientes armónicas de las 3 fases.

Sistemas de Puesta a Tierra – Características generales

Los Sistemas de Puesta a Tierra tienen como primer objetivo brindar seguridad a las personas, proteger las instalaciones y establecer un potencial de referencia permanente.

El segundo objetivo es minimizar las perturbaciones electromagnéticas en BF y AF con el fin de mejorar la calidad del suministro de energía eléctrica.

La eficiencia del Sistema dependerá de las características geo-eléctricas del terreno, de la configuración geométrica de los electrodos de puesta a tierra y de la ejecución física de la instalación eléctrica.

Sin profundizar técnicamente en el análisis y dentro de los límites de este articulo, se puede decir que para alcanzar el primer objetivo las características generales del sistema de puesta a tierra son las siguientes.

  • La disposición en su conjunto será eléctricamente continua, sin estar seccionado en punto alguno para permitir vincular todas las masas de la instalación a tierra y tendrá la capacidad de soportar la corriente de cortocircuito máxima coordinada con las protecciones instaladas en los circuitos.
  • El medio para conectar las masas a tierra será un conductor de cobre electrolítico que recorrerá toda la instalación denominado conductor de protección y cuya sección nunca será menor a 2.5 mm2. El ingreso de este conductor desde la puesta a tierra a la instalación se hará en el tablero principal.
  • Todos los tableros dispondrán de una placa colectora de puesta a tierra con la cantidad suficiente de bornes adecuados al número de circuitos de salida. Allí se conectarán todos los conductores de protección de los distintos circuitos y se realizará también la puesta a tierra del tablero.
  • Todos los obstáculos mecánicos metálicos deben estar conectados eléctricamente entre sí y al conductor de protección de manera de asegurar su puesta a tierra.

Para lograr el segundo objetivo la puesta a tierra debe minimizar los efectos producidos por  el ruido en modo común y el ruido de tierra (bucles de tierra).

El ruido en modo común existe entre los conductores de energía (fase y neutro) y el cable de tierra que alimenta a los dispositivos. Puede ser evitado con el uso de transformadores de aislamiento, acondicionadores de línea o filtros.

El ruido de tierra existe entre los cables de tierra ó masa de las diferentes piezas de equipos interconectados (bucles de tierra) y son fuente de problemas para la CEM.

Podemos decir que bucle de masa es la superficie comprendida entre un cable funcional (cables de datos, de control, red de comunicación…) y el conductor o la masa mecánica más cercana.

A modo de ejemplo, en los sistemas informáticos interconectados por líneas de datos cada dispositivo tiene dos conexiones a tierra: el cable común ó de masa de la línea de datos que conecta al dispositivo con otros equipos (por ejemplo el cable de red de datos) y  el conductor de protección presente en los cables de alimentación eléctrica de cada dispositivo.

El ruido de modo común estará presente entre los conductores de energía (fase y neutro) y el cable de tierra que alimenta a las computadoras. El ruido de tierra puede existir entre los cables de masa de las líneas de datos que alimentan a computadoras interconectados.

Las computadoras independientes, no conectadas a líneas de datos, es posible que experimenten ruido en modo común pero no estarán afectadas por ruido de tierra.

Estos dos problemas son completamente independientes y las protecciones para reducir el ruido de modo común no corrigen el ruido de tierra.

Entonces es importante evitar topologías que por longitud, distribución ó conexionado de los conductores vinculantes de masas puedan generar bucles de tierra.

Para el calculo y diseño del sistema de puesta a tierra existen software especializados para tal fin, no obstante, será necesario recurrir a especialistas para lograr óptimos resultados