aspectos tecnicos y normativos para el monitoreo y medicio

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  • 8/18/2019 Aspectos Tecnicos Y Normativos Para El Monitoreo Y Medicio

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    .Herbert Enrique Rojas Cubides

    Universidad Distrital Francisco Jos´ e deCaldas

    Grupo de Investigaci´ on enCompatibilidad e InterferenciaElectromagn´etica GCEM-UD

    [email protected]

    Edwin Rivas Trujillo

    Universidad Distrital Francisco Jos é deCaldas

    Grupo de Investigaci ón enCompatibilidad e InterferenciaElectromagn´etica GCEM-UD

    [email protected]

    Adolfo Andr és Jaramillo MattaUniversidad Distrital Francisco Jos´ e de

    CaldasGrupo LIFAE

    [email protected]

    Recibido: 06-11-2013Modicado: 05-09-2014Aceptado: 12-10-2014

    Citaci ón: Rojas, H., Rivas, E. y Jaramillo, A. (2014). Aspectos t écnicos y normativos para el monitoreo y medici ón dearm ónicos. En: Ingenier ı́a, Vol. 19, No. 2, pp. 129–146

    Aspectos t écnicos y normativospara el monitoreo y medici ón dearm ónicos

    Technical and Regulatory Aspects for Monitoring and Measurement of Harmonics

    ResumenEn este artı́culo se presenta un an´ alisis de los par´ametros requeridos para un adecuado

    proceso de monitoreo y medici ón de arm ónicos cuando se analiza la calidad de potenciaen las redes de energı́a el ´ ectrica. Inicialmente se introducen conceptos b´ asicos de losarmónicos presentes en las redes de energı́a el ´ ectrica, posteriormente se mencionan lasnormas y recomendaciones de regulaci ón para la calidad de energ ı́a eléctrica en el marcocolombiano. Seguido a esto se presentan algunos par´ ametros importantes que deben sertenidos en cuenta para una adecuada adquisici ón y tratamiento de las se ñales de tensi óny corriente tanto en frecuencia fundamental como en frecuencias arm´ onicas, y se haceénfasis en medici ón de arm ónicos, determinaci ón del punto de acople o conexi ón com ún(PCC), correcta ubicaci ón de los sensores y registradores,equipos de medici ón de calidadde potencia, frecuencia de muestreo, intervalos de observaci´ on, transductores, medici´ onde arm ónicos de tensi ón, medici ón de arm ónicos de corriente y condiciones del sistemadurante la medici´on.

    Palabras claves: armónicos, calidad de energı́a el ´ ectrica, monitoreo y medici´ on, normastécnicas.

    AbstractThis paper is a brief analysis of the parameters required for an adequate process of

    monitoring and measurement of harmonics in electric power networks for power qualitystudies. Initially, basics of harmonics in electric power networks are introduced; subse-quently, standards and recommendations for quality control of electrical energy in theColombian context are mentioned. Following this some important points to be taken intoaccount for the appropriate acquisition and processing of the voltage and current signalsin both fundamental frequency and harmonic frequency, are presented, where the em-phasis is on issues such as: harmonic measurement, determination of point of commonconnection (PCC), proper placement of the sensors and storage data equipment, powerquality measurement, frecuency of sampling, observation intervals, transducers, volta-ge harmonics measurement, current harmonics measurement and system conditions for

    measurement.Palabras claves: harmonics, monitoring and measurement, power quality, standards.

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    1. Introducci ón

    Las expresiones “ calidad de potencia” , “ calidad de energ ı́a el éctrica” o PQ se asocian a laforma de onda en las l ı́neas de distribuci ón del sistema el éctrico de energ ı́a que alimenta los

    dispositivos en sectores residenciales, comerciales e industriales [1]-[3]. Cuando dicha onda,generalmente sinusoidal, se deforma, genera efectos indeseados tanto en los dispositivos co-nectados al mismo punto de conexi´ on com ún (PCC) que la fuente de perturbaci´ on, como enlos sistemas que dependen de éstos dispositivos: sistemas de control, protecci ón o producci ón.Dentro de los efectos m ás relevantes producidos por una onda deformada de energ ı́a el éctricase pueden citar: p érdida de informaci ón en los dispositivos inform áticos, mal funcionamientode los aparatos medidores de energ ı́a, funcionamiento err óneo y paros no programados en lossistemas de protecci ón, control y producci ón, picos indeseados de potencia el éctrica, mal fun-cionamiento y aumento de temperatura en dispositivos electromec ánicos, los cuales producenuna reducci´on en su tiempo de vida ´ util, entre otros. La severidad de los efectos depende de la

    cantidad y sensibilidad de los dispositivos.

    La deformaci ón de la forma de la onda es un cambio en la forma sinusoidal ideal de la on-da de tensi ón o corriente, consecuencia de perturbaciones electromagn éticas que pueden serproducidas por diferentes causas, como maniobras en la red el éctrica (e.g., mantenimiento,conmutaci ón, sistemas de protecci ón o compensaci ón), descargas atmosf éricas y funciona-miento de accionamientos electromec ánicos de alta potencia, entre otros. Sin embargo, una delas causas m ás frecuentes de la deformaci ón de onda es la distorsi ón arm ónica. Los arm ónicosse producen debido a cargas no lineales conectadas a la red, las cuales absorben corriente deforma no sinusoidal.

    Para el monitoreo y medici ón de arm ónicos generalmente se utilizan analizadores de calidadde potencia (PQA), que se encargan de medir y almacenar muchas variables para su an álisisposterior. Sin embargo, adem ás de estos equipos, para una adecuada medici ón de arm ónicoses necesario tener en cuenta otros par ámetros como, por ejemplo, las normas, la selecci óndel punto de conexi ón com ún (PCC), ubicaci ón de los sensores y registradores, frecuencia demuestreo, intervalos de observaci ón, transductores, medici ón de arm ónicos de tensi ón y/o decorriente y condiciones del sistema durante la medici´ on, principalmente.

    En este artı́culo se menciona una denici´ on de los arm´onicos, las normas y regulaciones enel marco colombiano, as ı́ como tambi én se referencian algunos estudios sobre la inuenciade los arm ónicos en los sistemas el éctricos, con lo cual se da lugar a la determinaci ón de lospar ámetros necesarios para un adecuado monitoreo y medici ón de arm ónicos en estudios decalidad de potencia.

    2. Denici ón de arm ónicos

    El uso de cargas y equipos con caracterı́sticas no lineales en los sistemas el´ ectricos de po-

    tencia produce distorsiones en la forma de onda de corriente debido a su consumo de potenciano lineal. Este efecto produce corrientes sinusoidales con frecuencias m´ ultiplo de la frecuen-cia de la onda original (60 Hz en Colombia); a estas corrientes se les denomina corrientes

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    armónicas. El efecto de estas corrientes arm´ onicas puede analizarse como si dichas corrientesse adicionaran a la onda original, sinusoidal pura, cambiando su forma y propag´ andose por laslı́neas del sistema de potencia hacia otras cargas conectadas en el punto de conexi ón com únmás pr óximo [4].

    Algunas caracter ı́sticas de la onda original, que son modicadas por las se ñales arm ónicas,se convierten en indicadores de distorsi ón arm ónica en las l ı́neas de transmisi ón y distribuci ónde energı́a el´ectrica [1]; entre ellas se puede mencionar: espectro de frecuencia, factor depotencia, tasa de distorsi´ on arm ónica y factor de cresta. Con estos indicadores se puedendeterminar las acciones requeridas por los sistemas mitigadores de efectos arm´ onicos comoson ltros activos y pasivos, bobinas (de CC y AC) y sistemas multipulsos, entre otros [5], [6].

    Como se mencion ó anteriormente, los arm ónicos se producen debido a cargas no linealesconectadas a la red, las cuales absorben corriente de forma no sinusoidal. Como ejemplo deestas cargas podemos citar: recticadores, convertidores AC/DC (debido a los elementos de

    switcheo) [7], [8], variadores de frecuencia, sistemas de soldadura por arco, hornos de induc-ción, l ámparas uorescentes, compensadores est´ aticos de potencia, autom´ oviles el éctricos ohı́bridos [9], entre otras.

    Entre los efectos m´ as relevantes de los arm´ onicos est´an: disparo de protecciones y calen-tamiento de cables, sobrecorrientes de neutro, disminuci ón de la vida útil, p érdida de aisla-miento por altas temperaturas, p érdidas en el cobre y en el entrehierro de los transformadores[10], perturbaciones en l ı́neas telef ónicas y otras cargas sensibles a distorsi ón en la tensi ón dealimentaci ón, sobredimensionamiento de transformadores y elementos de protecci ón, dismi-nuci ón de rendimiento y par en motores, y error en equipos de medida y control.

    3. Normas relacionadas con la calidad de potencia enColombia

    En Colombia, el marco regulatorio lo establecen y componen distintos entes, como se mues-tra en la gura 1. Sin embargo, los m ás relevantes son el Instituto Colombiano de NormasTécnicas y Certicaci´ on (Icontec) y la Comisi´ on de Regulaci´on de Energı́a y Gas (Creg). Elprimero es una organizaci´ on sin ánimo de lucro que se encarga de la normalizaci´ on en el paı́s

    para el desarrollo sostenible de las organizaciones, por lo que presta servicios de educaci´ onen metrologı́a, entre otros. De gran inter´ es son las Normas T´ ecnicas Colombianas (NTC), es-pec ı́camente las referentes a la calidad de potencia: NTC 5000 y NTC 5001. Por su parte,la Creg es una entidad creada por el gobierno nacional la cual tiene como objetivo princi-pal garantizar la calidad, la cobertura del suministro y expansi ón de los servicios de energ ı́aeléctrica, gas natural y gas licuado en el pa ı́s.

    3.1. Norma t écnica colombiana NTC 1340

    Esta norma del a ño 2004 aborda conceptos m ı́nimos de calidad de potencia [10]. Sus tem áti-cas centrales son las tensiones y frecuencias nominales en sistema de energı́a el´ ectrica en redesde servicio p´ublico (gura 2).

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    Figura 1. Normas relevantes en Colombia sobre calidad de potencia.

    Figura 2. Mapa conceptual NTC 1340 – 2004.

    3.2. Norma t écnica colombiana NTC 5001

    La NTC 5001 del 2008 es la norma t écnica colombiana de calidad de potencia el éctrica [11].Su prop ósito es establecer los l ı́mites y la metodolog ı́a de evaluaci ón en un punto de conexi ón

    com ún; es una norma que contiene aspectos similares a la norma IEEE 1159 (gura 3).

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    Figura 5. Mapa conceptual CREG 024 – 2005.

    3.5. Resoluci ón CREG 065-2012

    En 2012, la CREG presenta este proyecto de resoluci ón, el cual trata de complementar ycompilar las anteriores en una sola (gura 6). El objetivo es presentar claramente las pol ı́ti-cas de calidad de potencia y ajustarlas para que sean similares a la norma NTC-5001. Estaresoluci ón tiene en cuenta indicadores como desviaciones de frecuencia, desviaciones de ten-sión, icker , desbalances, distorsi ón total de demanda (TDD) y distorsi ón arm ónica de tensi ón(THDV) y corriente (THDI). Adem ás, establece los l ı́mites de los indicadores respectivos ycómo se deben medir dichos fen´ omenos.

    Figura 6. Mapa conceptual CREG 065 – 2012.

    4. Inuencia de los arm ónicos en los sistemas el éctricos

    El término generaci ón distribuida se reere al uso de fuentes renovables de energ ı́a, lascuales est án integradas por elementos electr ónicos generadores de arm ónicos.

    En [14] se analiza el impacto en la distorsi ón arm ónica en tensi ón (THDV) usando genera-ción distribuida, para lo cual se trabaja el caso de estudio de 13 nodos de IEEE y se modelantres tecnologı́as con el paquete de software PSCAD: una turbina e ´ olica, un generador sı́ncrono

    y un sistema fotovoltaico. Los resultados evidencian la relaci´ on que existe entre el THDV yel tipo de tecnologı́a a utilizar. Adem´ as, se muestra c ´omo al incrementar el n´ umero de gene-radores en el sistema el THDV supera los l ı́mites permitidos del 5 %.

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    En [15] se presentan los resultados de un estudio desarrollado por el fondo de investigaci´ ondel sistema el´ectrico italiano. Este trabajo est´ a enfocado al impacto de la generaci´ on distribui-da en las redes de distribuci ón mediante el uso de inversores trif ásicos de segundo nivel comotecnolog ı́a de generaci ón. El impacto s ólo analiza la comparaci ón de arm ónicos y obtiene re-sultados favorables en la inyecci ón de corrientes arm ónicas luego de usar una conguraci ón

    de inversores intercalados.

    En [16] se analiza la inuencia de los arm´ onicos causados por el uso de fuentes de ge-neraci ón distribuida que usan inversores en una red de baja tensi´ on simulada con Matlab RSimulink. Los resultados muestran la inuencia de cargas RL sobre el sistema y la relaci´ ondirecta entre el n´umero de inversores y el aumento de la distorsi´ on arm ónica de la forma deonda. Este trabajo recomienda profundizar en el uso de dispositivos que ayuden a mitigar lasdistorsiones arm ónicas y promueve que en un futuro sean incluidos en las normas t écnicasrelacionadas.

    En [17] se presenta un inversor monof ásico para sistemas de generaci ón distribuida que re-quieren caracterı́sticas de calidad de energı́a (arm´ onicos y compensaci´ on de potencia reactiva)para el funcionamiento conectado a la red.

    En [18] se presenta un estudio de una estructura de control para un sistema basado en inver-sores de fuente de corriente (CSI), basado en un sistema de referencia multi-s ı́ncrona (MSRF),arquitectura que rechaza el efecto de distorsi ón de voltaje de red y ayuda a alcanzar una co-rriente de salida de alta calidad.

    5. Monitoreo de arm ónicos para estudios de calidad depotencia

    En principio, tanto los clientes (usuarios nales) como la red de distribuci ón compartenresponsabilidades en la limitaci ón de corrientes y tensiones arm ónicas inyectadas en cualquierpunto del sistema [19]. A partir de esto, se deben tener en cuenta dos etapas para reducir ladistorsi ón arm ónica: primero, la medici´ on de corrientes inyectadas y sus tensiones resultantes;segundo, el estudio de las impedancias y su comportamiento en la frecuencia.

    Al evaluar la calidad de la potencia el éctrica de una instalaci ón (residencial, comercial oindustrial), cualquier tipo de estudio realizado depende en gran medida de la forma en quese realicen las mediciones [20]. A continuaci ón, se presentan algunos t ópicos que deben sertenidos en cuenta para una adecuada adquisici ón y tratamiento de las se ñales de tensi ón ycorriente tanto en frecuencia fundamental como en frecuencias arm ónicas

    5.1. Preliminares a tener en cuenta para la medici ón de arm ónicos

    Un adecuado monitoreo facilita la detecci´ on, an álisis y control de las componentes arm´ oni-cas que afectan las se ñales de tensi ón y corriente. En la actualidad existe en el mercado gran

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    variedad de equipos de medici´ on de arm ónicos. Referencias tales como Fluke 435, AEMC8336, Dranetz 4400 y Hioki 3197, entre otras, son ejemplos de equipos de alta y media gamaque en su mayor ı́a se conectan directamente a computadores (port átiles o de escritorio) conel prop ósito de almacenar y procesar posteriormente la informaci ón. Sin embargo, antes deiniciar cualquier tipo de estudio es importante identicar el punto del sistema en el cual se

    deben conectar los equipos de monitoreo.

    5.1.1. El punto de acople com ún (PCC)

    En este art ı́culo se han tomado como referencia las deniciones presentadas en la normatécnica colombiana y sus extensiones en el est ándar internacional [10], [13]. Una de las de-niciones m ás controversiales, pues posee diversas interpretaciones, es la del punto de conexi óno acople com´un (PCC). Éste es denido como un punto de conexi´ on individual ubicado entre

    el usuario nal (punto de medida de energı́a) y el sistema que lo alimenta, sea el sistema dedistribuci´on local (SDL) o el sistema de transmisi´ on regional (STR) y en el cual puede serrealizada la evaluaci ón de la distorsi ón arm ónica [11], [21].

    A partir de esta denici ón, los l ı́mites denidos en la NTC-5001 son concebidos para seraplicados en el PCC. Aunque se debe tener en cuenta que este punto puede estar localizadoen cualquier lado de un transformador dependiendo del devanado en el que se encuentrenconectados otros clientes. La Figura 7 permite explicar este concepto de manera ilustrativa.

    Figura 7. Denici ón del PCC en sistemas de media tensi ón seg ún [18] y adoptado por [10].

    La norma aclara que cuando el PCC est á denido del lado de alta tensi ón del transformadorlas mediciones pueden ser tomadas por el lado de baja, siempre y cuando las mediciones seanposteriormente referidas al lado de alta (usando la relaci´ on de transformaci´ on) y teniendo encuenta el efecto que sobre los arm´ onicos de secuencia cero tienen los devanados en delta delos transformadores.

    5.1.2. ¿D ónde realizar las mediciones?

    Como se mencion´ o, las mediciones para vericar y monitorear los lı́mites arm´ onicos es-tablecidos en la norma colombiana deben realizarse de ser posible en el PCC directamente.

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    Mediciones en otros puntos de la instalaci´ on del usuario nal no contribuyen en la evaluaci´ ongeneral de los problemas de arm´ onicos, aun cuando estos estudios provean informaci´ on sobreel comportamiento de cargas puntuales o de gran aporte arm ónico.

    Para muchos usuarios, el PCC est á denido del lado del devanado primario de sus trans-

    formadores de entrada (media o alta tensi ón), por lo que en estas ocasiones resulta m ás con-veniente y ventajoso tomar mediciones de tensi ón y corriente directamente en las fronterascomerciales (gura 8).

    Figura 8. Medici ón t ı́pica en el PCC para clientes industriales.

    Las mediciones en el lado de baja tensi´ on del transformador pueden ser adecuadas para laevaluaci ón de las corrientes arm ónicas. Sin embargo, estas mediciones no pueden ser utiliza-das directamente para la evaluaci ón de las distorsiones arm ónicas de tensi ón del lado primariodel transformador, debido a los efectos que las conexiones delta provocan en los arm ónicostriples o de secuencia cero [22]. Por ejemplo, transformadores de conexi ón delta-estrella (DY)(comunes en el sistema el éctrico colombiano) “ cancelan” las componentes de secuencia cerodel lado del devanado primario (gura 9), mientras los transformadores de conexi´ on estrella-estrella aterrizada (YYG) dejan pasar la totalidad de las componentes arm´ onicas del primarioal secundario.

    Ahora, si las distorsiones de corriente corresponden únicamente a componentes de secuen-cia positiva y negativa (t ı́picamente industrias en donde las cargas trif ásicas predominan), larelaci ón de transformaci ón s ólo afectar á los ángulos de las componentes arm ónicas de co-rriente [22].

    En conclusi´on, para un estudio en el que se necesita conocer el contenido arm´ onico de lainstalaci ón de un cliente (usuario nal), es recomendable hacer las mediciones en el PCC

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    Figura 9. Efecto de un transformador DY sobre la onda de tensi ón con arm ónicos.

    directamente en el devanado primario del transformador, si las condiciones t´ ecnicas y de dis-ponibilidad de los equipos lo permiten. De esta manera, se reduce el tiempo en el tratamientode las mediciones. Ahora bien, si lo que se quiere es hacer un estudio dentro de las instala-ciones del cliente, lo m ás recomendable es hacer las mediciones en los nodos internos de la

    planta, las cargas no lineales y bancos de condensadores directamente.

    5.2. Equipos usados para el monitoreo de arm ónicos

    Los equipos de medici ón usados para la medici ón de arm ónicos son instrumentos electr óni-cos basados en microprocesadores que toman la se˜ nal de tensi ón y corriente, y realizan direc-tamente un an´alisis en la frecuencia usando la transformada r´ apida de Fourier (FFT). Estosequipos entregan el espectro en magnitud y fase de la se˜ nal en funci´on de la frecuencia.

    Respecto a las caracter ı́sticas de los equipos de medida, la NTC 5001 recomienda teneren cuenta los criterios denidos en la norma europea IEC-61000-4-30. Esta norma debe sertenida en cuenta para la selecci ón de los equipos de monitoreo ya que la norma americanaIEEE 519-1992 no dene claramente estas caracter ı́sticas. Los equipos de medida seg ún laIEC-61000-4-30, se clasican en dos clases [23]:

    Equipos de clase A: son equipos de medida usados para la evaluaci´ on contractual depar ámetros el´ectricos y la vericaci´ on del cumplimiento de los valores de referencia

    (lı́mites) establecidos en esta norma internacional. Normalmente, los equipos de estaclase se utilizan para resolver reclamaciones o disputas entre un operador de red y uncliente.

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    Equipos de clase B: son equipos utilizados para el seguimiento de los par´ ametros de ca-lidad de energı́a, estudios de diagn ´ ostico en instalaciones y otras aplicaciones donde nose necesita una alta precisi ón en las mediciones. Los equipos de esta clase, en general,no tienen una especicaci ón diferente a la dada por sus propios fabricantes, mientrasque los de clase A tienen denidas las caracter ı́sticas y las incertidumbres aceptables

    para la medici ón de cada uno de los par ámetros de calidad de energ ı́a.

    5.3. Periodo y resoluci ón para el muestreo de arm ónicos

    En esta secci´on se describen las caracteŕısticas t´ ecnicas m´as relevantes que deben tener losequipos utilizados para la evaluaci ón de las contaminaciones arm ónicas en las redes el éctricas.En algunos casos, las recomendaciones dadas en este trabajo se apartan de las caracter ı́sticasdadas por la IEC-61000-4-30, teniendo en cuenta algunas restricciones t écnicas o comerciales

    de los equipos de medida disponibles en el mercado colombiano.

    Para un adecuado monitoreo de arm ónicos, el equipo de medida debe tener una capacidadde lectura de par´ametros con una tasa de muestreo de 12 ciclos (para 60Hz) que deben seralmacenados cada 3 segundos [23]. A partir de estos par´ ametros, el equipo de medida a serutilizado debe tener una capacidad para almacenar 28.800 datos en la medici´ on de un dı́a,caracter ı́stica que comercialmente no es f ácil de encontrar en los medidores de la clase B.

    Por esta raz ón, se recomienda que la tasa m ı́nima de almacenamiento de los valores de THDy de las magnitudes y ángulos de las componentes arm ónicas sean por lo menos de 0,1% del

    tiempo total de la medida. Esto con el n de lograr que para el an álisis se tenga una basemı́nima de 1.000 datos, que es el valor m ı́nimo de datos recomendado por la IEC-61000-4-30 para el an´alisis de una semana a intervalos de 10 minutos. Este valor es cumplido por lamayor parte de los analizadores de redes el´ ectricas de tipo port´ atil disponibles en el mercadocolombiano. Ası́, para los diferentes tiempos de medida, la tabla 1 muestra la capacidad de al-macenamiento que debe tener un equipo usado en estudios de contaminaci ón arm ónica seg únel tipo de cliente.

    Tabla 1. Tasas de captura de informaci´ on para monitoreo de THD

    Tipo de Periodo de Tiempo de Tiempo decliente medida óptimo muestreo t ı́pico (s) muestreo óptimo (s)

    Residencial 24 Horas 90 30

    Comercial 48 Horas 180 60

    Industrial 72 Horas 270 90

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    estacionario, el an´ alisis espectral debe permitir estimar componentes hasta el arm´ onico 50,razón por la cual la frecuencia m´ as elevada que debe considerarse es de 3 kHz para el casodel sistema el éctrico colombiano. La frecuencia de muestreo habitualmente utilizada en estosequipos es de 7,68 kHz, que corresponde a tomar 128 muestras por ciclo de (1/60 s). Con estenúmero de muestras por ciclo se garantiza que el an álisis espectral pueda realizarse hasta el

    arm ónico 50.

    Respecto a los intervalos de observaci´ on recomendados para el an´ alisis de arm´onicos, éstosvarı́an desde los pocos segundos hasta una semana, dependiendo del estudio que se deseerealizar. Los intervalos de observaci´ on que se recomiendan son los siguientes [24]:

    Intervalos muy cortos (tmc ) = 3 segundos

    Intervalos cortos (tc ) = 10 minutos

    Intervalos largos (tl ) = 1 hora

    Intervalos de un d ı́a (td ) = 24 horas

    Intervalos de una semana (tsm ) = 7 dı́as

    Con el n de conocer detalladamente el comportamiento de los clientes, las medidas de-ben ser tomadas de manera ininterrumpida por un periodo suciente como para determinarestad ı́stica y matem áticamente las caracter ı́sticas de distorsi ón arm ónica de cada cliente [25].Medidas espor ádicas o de corta duraci ón deber ser rechazadas desde el comienzo, partiendodel hecho de que no representan con exactitud el comportamiento arm ónico del cliente. Porestas razones, el periodo óptimo de medida que se recomienda es de una semana de monito-reo. Este periodo permitir á conocer un ciclo de trabajo completo, especialmente para clientesde tipo comercial o industrial.

    5.6. Transductores utilizados en la medici ón de arm ónicos

    La funci ón de los transductores, sea transformador de corriente (CT), transformador depotencial (PT) o ambos, es la de proveer una r´ eplica de la corriente o la tensi´ on del sistema depotencia a un nivel compatible con la operaci´ on de la instrumentaci´ on. La Figura 10 muestrael esquema de conexi´ on tı́pico para la medici´ on de tensiones y corrientes arm´ onicas usandoCT y PT.

    En l ı́nea con los requerimientos de exactitud sugeridos para la instrumentaci ón, la normaIEC-61000-4-7 establece que el error de los transformadores de tensi ón y corriente no de-ber á exceder el 5 % (relacionado al valor medio) en magnitud y 5 ◦ en el ángulo de fase, estopara la magnitud m ás peque ña que se presente. La respuesta en frecuencia sugerida para lostransformadores de instrumentaci´ on debe ser consecuente con un ancho de banda que puedeir desde 1 kHz a 5 kHz [25].

    En la norma IEC-61000-4-30 se presenta un estudio realizado a transformadores de medidade tensi ón con tensiones primarias entre 6 kV y 400 kV. En este estudio se establece que la

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    Con el prop´osito de comparar las mediciones con estos lı́mites, es importante que las medi-ciones de arm´ onicos sean realizadas en magnitudes absolutas (amperios) y no como porcentajede la corriente fundamental. Esto debido a que la magnitud fundamental de la corriente var ı́aconstantemente debido a las variaciones de carga y a los cambios en el control del factor depotencia.

    Las corrientes arm ónicas expresadas como porcentaje de los cambios en la corriente fun-damental pueden crear dicultades en cuanto la conversi´ on de las corrientes medidas y losresultados pueden ser err´ oneos. Por ejemplo, los niveles de distorsi´ on arm ónica expresadoscomo porcentaje de la corriente fundamental pueden ser muy altos durante condiciones decarga baja, pero las magnitudes arm´ onicas de las corrientes pueden ser totalmente aceptables,raz ón por la cual se deben calcular la TDD y no únicamente los THDi [11].

    Cuando se realizan mediciones de distorsiones arm ónicas de corriente dentro de una insta-laci ón es importante incluir los ángulos de fase de cada arm ónico de forma individual. Esto

    permitir á una evaluaci ón m ás completa de la cancelaci ón entre los diferentes componentesarmónicos dentro del sistema bajo an´ alisis. Los ángulos de fase deben estar relacionados conuna misma referencia la cual com´ unmente se reere al ´ angulo de cruce por cero de la ondafundamental de la fase A (L1 o fase R).

    Las caracter ı́sticas de los CT tambi én son importantes en la medici ón de las distorsionesarm ónicas de corriente. La respuesta en frecuencia de estos equipos debe ser evaluada paralas mediciones que ser án realizadas. Los CT deben tener menos de 3dB de atenuaci ón parafrecuencias menores a 3 kHz [25]. En caso de que los equipos disponibles no cumplan conesta condici ón, los valores de THDi y TDD no podr án ser tomados a trav és de estos equipos

    y por tanto deber´ an buscarse otras alternativas para su captura y an´ alisis.

    5.8. Condiciones del sistema durante la medici ón

    Adicionalmente a las variaciones aleatorias de los niveles de arm ónicos, al realizar un an áli-sis de los l ı́mites y niveles de distorsi ón arm ónica es importante evaluar el impacto que tienenlas diferentes condiciones de operaci ón del sistema sobre los niveles de distorsi ón arm ónicade un usuario nal (cliente) o bien de la red de alimentaci´ on misma. Para estudios enfocadosen el an álisis de las contribuciones arm´ onicas en el PCC, evaluar las condiciones de operaci´ ondel sistema tales como el efecto de bancos de condensadores (usados por el cliente o por eloperador de red), el efecto de los ltros de arm´ onicos y el efecto de las posibles variaciones dela carga, sumado a las variaciones aleatorias de los niveles arm ónicos, resulta poco útil puesla nalidad del estudio es el conocer la responsabilidad en el aporte de arm ónicos a partir deun comportamiento estable tanto del cliente como del sistema de distribuci ón.

    Debido a esto, existe una dicultad en la aplicaci ón de la metodolog ı́a expuesta en la normaIEEE-519 para evaluar la contaminaci´ on arm ónica en un sistema ya que no se tiene en cuentala relaci ón entre la magnitud de los arm´ onicos y su duraci´on [21]. Un ejemplo tı́pico de este

    aspecto lo constituye el proceso de arranque de un motor con arrancador electr´ onico, ya quelos arm ónicos durante este proceso no ser´ an los mismos que los arm´ onicos medidos en el mis-mo punto despu és de que el motor se encuentre operando. Para el an álisis del aporte arm ónico,

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    Aspectos t ´ecnicos y normativos para el monitoreo y medici´ on de arm ónicos

    se recomienda usar la propuesta del grupo de trabajo de IEEE 519A [26], la cual dene quelos arm ónicos v álidos dentro de un sistema a n de evaluar los lı́mites permisibles son losarm ónicos denominados de estado estable o bien aquellos que persisten un mayor periodo.

    6. Conclusiones

    En este trabajo se presentaron de manera sintetizada los requerimientos t écnicos y las nor-mas t écnicas que deben ser aplicadas con el prop ósito de realizar un adecuado monitoreo yposterior an álisis de la contaminaci ón arm ónica en cualquier instalaci ón el éctrica conectada aun sistema de distribuci ón colombiano.

    Estamentos de car´ acter nacional e internacional que son veedores de la buena prestaci´ on delservicio el´ectrico han establecido, a trav´ es de diferentes estudios, lı́mites que reducen el aportearmónico de un usuario nal (cliente), deniendo ası́ los topes permisibles que garantizan elbuen funcionamiento de todos los elementos dentro de un sistema. Es por esto que cualquierestudio relacionado con la estimaci ón de distorsiones am ónicas o la determinaci ón de respon-sabilidades en el aporte de arm ónicos en el punto de conexi ón o acople com ún (PCC), siempredebe ir de la mano con un an álisis en el que se comparen los valores de distorsi ón arm ónicade cada cliente con los valores tope recomendados en la norma NTC 5001.

    Para un correcto monitoreo y medici´ on de arm ónicos en el estudio de calidad de potenciano sólo se requiere de dispositivos de medici´ on y almacenamiento de datos que cumplan losrequerimientos t écnicos expuestos en la norma IEC-61000-4-30, tambi én es necesario teneren cuenta otros aspectos que puedan alterar el comportamiento del sistema en el momentode la medici ón. Entre estos aspectos se encuentran: la correcta ubicaci ón de los equipos demedici ón en el PCC, la frecuencia de muestreo, los intervalos de observaci ón, los transduc-tores utilizados, las recomendaciones dadas para la medici ón de arm ónicos de tensi ón y/o decorriente y adem ás, analizar las condiciones del sistema durante la medici ón.

    Se recomienda a los usuarios nales identicar y clasicar sus cargas perturbadoras con elprop ósito de predecir los problemas que ´ estas pueden generar en el normal funcionamientode sus procesos o actividades. De esta manera, los monitoreos realizados en sus instalacio-nes proporcionar án informaci ón complementaria con el n de tomar acciones para reducirproblemas de contaminaci ón arm ónica. Por otra parte, es conveniente que los clientes conayuda de los operadores de red realicen actividades encaminadas al conocimiento de su red dealimentaci ón y sus vecinos conectados con el objetivo de mantener ambientes el éctricos concontenidos arm ónicos por debajo de los l ı́mites establecidos.

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    Referencias

    [1] A. Terciyanli, T. Avci, I. Yilmaz, C. Ermis, K. Kose, A. Acik, A. Kalaycioglu, Y. Akkaya, I. Cadirci, and M.Ermis, “ A Current Source Converter-Based Active Power Filter for Mitigation of Harmonics at the Interface of Distribution and Transmission Systems,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 48, pp. 1374–1386, 2012.

    [2] K. Prabaakaran, N. Chitra, and A. S. Kumar, “ Power quality enhancement in microgrid - A survey,” in 2013International Conference on Circuits, Power and Computing Technologies (ICCPCT), 2013, pp. 126–131.

    [3] “ IEEE Standard 1159-1995, IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality.,” ed. NewYork, 1995.

    [4] P. Supriya and T. N. P. Nambiar, “ Review of Harmonic Source Identication Techniques,” Int. Rev. Electr. Eng.,vol. 7, Issue 3, pp. 4525–4531, May 2012.

    [5] S. Nath, P. Sinha, and S. K. Goswami, “ A wavelet based novel method for the detection of harmonic sources inpower systems,” Int. J. Electr. Power Energy Syst., vol. 40, Issue 1, Pages 54–61, Sept 2012.

    [6] D. Stevanovic and P. Petkovic, “The Efcient Technique for Harmonic Sources Detection at Power Grid,” Prz.Elektrotechniczny, vol. 88, Nr. 11a, pp. 196-199, 2012.

    [7] Q. C. Zhong, “ Harmonic Droop Controller to Reduce the Voltage Harmonics of Inverters,” IEEE Trans. Ind.Electron., vol. 60, pp. 936–945, 2013.

    [8] A. M. Eltamaly, “ Novel Third Harmonic Current Injection Technique for Harmonic Reduction of ControlledConverters,” J. Power Electron., vol. 12, pp. 925–934, 2012.

    [9] C. J. Liu, F. Blaabjerg, W. J. Chen, and D. H. Xu, “ Stator Current Harmonic Control With Resonant Controllerfor Doubly Fed Induction Generator,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 27, pp. 3207–3220, 2013.

    [10] Instituto Colombiano de Normas T´ ecnicas - ICONTEC, NTC 1340: Electrotecnia. Tensiones y frecuencia no-minales en sistemas de energ ı́a el éctrica en redes de servicio p úblico. 2004, p. 7.

    [11] Instituto Colombiano de Normas T´ ecnicas - ICONTEC, NTC 5001: Calidad de la Potencia El´ ectrica. Lı́mites ymetodolog ı́a de Evaluaci ón en Punto de Conexi ón Com ún. Colombia, 2008, p. 60.

    [12] Comisi ón de Regulaci ón de Energ ı́a y Gas, Resoluci ón CREG 070-1998: Colombia, 1998, p. 63.

    [13] Comisi ón de Regulaci ón de Energ ı́a y Gas, Resoluci ón CREG 024-2005. Colombia, 2005, p. 10.[14] A. F. Abdul Kadir, A. Mohamed, and H. Shareef, “ Harmonic impact of different distributed generation units on

    low voltage distribution system,” in 2011 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC),2011, pp. 1201–1206.

    [15] M. Brenna, R. Chiumeo, and C. Gandol, “ Harmonic analysis: Comparison between different modulationstrategies for three phase inverter connecting Distributed Generation,” 2011 Int. Conf. Clean Electr. Power, pp.231–236, Jun. 2011.

    [16] X. Zhou, J. Liang, and W. Zhou, “ Harmonic impacts of inverter-based distributed generations in low voltagedistribution network,” 2012 3rd IEEE Int. Symp. Power Electron. Distrib. Gener. Syst., pp. 615–620, Jun. 2012.

    [17] Bojoi, R.; Limongi, L.R.; Roiu, D.; Tenconi, A, . Enhanced Power Quality Control Strategy for Single-Phase In-verters in Distributed Generation Systems,”Power Electronics, IEEE Transactions on , vol.26, no.3, pp.798,806,

    March 2011[18] Morsy, A; Ahmed, S.; Massoud, AM., ”Harmonic rejection in current source inverter-based distributed genera-

    tion with grid voltage distortion sing multi-synchronous reference frame,”Power Electronics, IET , vol.7, no.6,pp.1323,1330, June 2014

    [19] P. Garcia, L. Rodriguez, H. Rojas, and A. R ı́os, “ Aplicaci ón del m étodo de la impedancia cr ı́tica para determinarla fuente arm´onica dominante en circuitos,” Rev. Ing. e Investig., vol. 27, no. 1, pp. 138–148, 2007.

    [20] M. Bollen and I. Gu, Signal processing of power quality disturbances. New York, USA: IEEE Press Series onPower Engineering, 2006, p. 861.

    [21] IEEE Standards subcommitte, IEEE Standard 519-1992: IEEE Recommended Practices and Requirements forHarmonic Control in Electrical Power Systems. USA, 1992, p. 101.

    [22] J. Arrillaga, B. Simith, and N. Watson, Power System Harmonic Analysis, Second. New Zeland: Wiley andSons, 1997, p. 382.

    [23] International Electrotechnical Commission, “ 61000-4-30: Testing and measurement techniques - Power qualitymeasurement methods” , International Standard, February 2003.

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    Aspectos t ´ecnicos y normativos para el monitoreo y medici´ on de arm ónicos

    [24] E. Parra, An´ alisis de arm´onicos en sistemas de distribuci´ on. Bogot´a, Colombia: Editorial Universidad Nacionalde Colombia, 2004, p. 84.

    [25] International Electrotechnical Commission, IEC Standard 61000-4-7: Testing and measurement techniques -General guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation. 2002, p. 45.

    [26] IEEE Harmonic Working Group, P519.1 - IEEE Draft Guide for Applying Harmonic Limits on Power Systems.USA: P519A Task Force, 1996, p. 81.

    Herbert Enrique Rojas CubidesNaci ó en Bogot á D.C., Colombia. Es ingeniero electricista de la Universidad Nacional de Colombia, de Bogot á, Co-lombia. Obtuvo su tı́tulo de Maestrı́a en Ingenierı́a El´ ectrica y actualmente es Candidato a Doctor en Ingenierı́a –Área de Ingenier ı́a El éctrica, de la Universidad Nacional de Colombia, de Bogot á, Colombia.Se desempe˜nó como instructor de Redes El´ ectricas de Distribuci´ on e Instalaciones El´ ectricas Industriales en el Servi-cio Nacional de Aprendizaje (SENA) y trabaj ó como ingeniero residente y luego como coordinador de proyectos envarias empresas del sector de ingenier ı́a el éctrica y de telecomunicaciones. Actualmente se desempe ña como docenteen las áreas de Subestaciones El´ ectricas y Aislamiento El´ ectrico en la Universidad Distrital Francisco Jos´ e de Caldasde Bogot á D.C., Colombia y es investigador del Grupo de Investigaci ón en Compatibilidad e Interferencia Electro-magn ética (GCEM-UD), donde realiza estudios sobre procesamiento de se˜ nales, alta tensi´on, aislamiento el ´ ectrico,

    compatibilidad electromagn ética y calidad de potencia.e-mail: [email protected]

    Adolfo Andr és Jaramillo MattaNaci ó en Palmira, Colombia. Es ingeniero electr´ onico de la Universidad del Valle, de Cali, Colombia. Obtuvo sutı́tulo de Maestr ı́a en Ingenier ı́a – Énfasis en Autom ática, en la Universidad del Valle de Cali, Colombia. Obtuvosu t ı́tulo de Maestr ı́a en Ingenier ı́a Electr ónica, en la Universidad Rovira i Virgili, de Tarragona, Espa ña. Obtuvo suPh.D. en la Universidad Rovira i Virgili, de Tarragona, Espa˜ na. Se desempe˜nó como investigador y coordinador deinvestigaci ón en la Universidad del Valle durante 2 a ños. Posteriormente, ejerci ó el cargo de PDI en la UniversidadRovira i Virgili y actualmente se desempe˜ na como docente de planta en las ´ areas de Control y Calidad de Potenciaen la Universidad Distrital Francisco Jos é de Caldas de Bogot á D.C., Colombia.e-mail: [email protected]

    Edwin Rivas TrujilloEs ingeniero electricista de la Universidad del Valle, de Cali, Colombia. Obtuvo su t ı́tulo de Maestr ı́a en Ingenier ı́a– Énfasis en Sistemas de generaci ón de energ ı́a El éctrica en la misma Universidad. Doctor en Ingenier ı́a El éctrica,Electr ónica y Autom ática de la Universidad Carlos III de Madrid-Espa ña y M áster de la misma Universidad, actual-mente se desempe˜ na como docente titular de la Universidad Distrital Francisco Jos´ e de Caldas; lidera el Grupo deInvestigaci ón en Compatibilidad e Interferencia Electromagn ética (GCEM-UD).e-mail: [email protected]