Calidad de Energía Eléctrica

El documento inicia definiendo la problemática central: la necesidad de un estudio exhaustivo sobre la calidad de la energía eléctrica en los centros de carga conectados a la empresa Iberdrola, tanto en alta como en media tensión. Se destaca la falta de estudios previos a pesar de las afirmaciones de la empresa sobre el buen funcionamiento de su sistema. El objetivo es determinar el estado actual de los centros de carga, comparándolo con los requisitos de la CRE (Comisión Reguladora de Energía), específicamente el cumplimiento del Código de Red (vigente desde abril de 2019) y la norma europea EN 50160. Se menciona la importancia del monitoreo constante de la calidad de la energía eléctrica debido a su impacto en el sistema y los potenciales problemas que una negligencia podría ocasionar. El estudio se basa en un trabajo de campo con mediciones e interpretaciones de datos para posteriormente proponer recomendaciones que mejoren la calidad de energía eléctrica suministrada por Iberdrola.

Se identifica la utilización de cargas no lineales como una de las principales causas del deterioro en la calidad de la energía eléctrica. Estas cargas, presentes en los centros conectados a Iberdrola, incluyen equipos como hornos de fundición, sistemas de cómputo, lámparas fluorescentes y rectificadores. Se explicita que el uso de estas cargas no lineales genera armónicos y otras distorsiones (flicker, variaciones de voltaje, etc.) que afectan directamente a equipos como los motores de inducción, causando sobrecalentamiento y desgaste. El problema se agrava por la falta de estudios detallados de la calidad de la energía en Iberdrola, a pesar de la percepción interna de un buen funcionamiento. El texto subraya la necesidad de un análisis profundo para entender las causas del deterioro de la calidad de la energía y proponer soluciones efectivas, considerando la importancia de evaluar el cumplimiento con los estándares internacionales y las regulaciones de la CRE en materia de calidad de energía.

El objetivo principal del estudio es evaluar con precisión la calidad de la energía eléctrica suministrada por Iberdrola a sus centros de carga, determinando su nivel de cumplimiento con las normas EN 50160 y el Código de Red de la CRE. La investigación se centra en identificar las causas de los problemas de calidad de energía, particularmente la influencia de las cargas no lineales y sus efectos en diversos equipos. El análisis de datos permitirá generar recomendaciones para mejorar la calidad de la energía eléctrica, impactando positivamente en la eficiencia y vida útil de los equipos en los centros de carga. El trabajo de campo, que incluye la instalación de equipos de medición y control, es fundamental para recopilar la información necesaria para el análisis y la generación de las recomendaciones. Se busca un análisis exhaustivo y con datos concretos, contrario a la percepción previa de Iberdrola que se basaba en la falta de estudios detallados.

Una de las causas principales del deterioro en la calidad de la energía eléctrica es la presencia de cargas no lineales en los centros de carga. Estos equipos, que incluyen rectificadores, hornos de fundición, sistemas de cómputo y lámparas fluorescentes, distorsionan la forma de onda de la corriente, generando armónicos. Esta distorsión afecta directamente la calidad de la energía, manifestándose en problemas como disminución y aumento de voltaje, oscilaciones, impulsos transitorios, interrupciones, muescas, fluctuaciones de voltaje, y flicker. El documento destaca el impacto negativo de estas distorsiones en equipos sensibles, especialmente los motores de inducción, que sufren sobrecalentamiento y desgaste prematuro debido a las alteraciones de voltaje. La presencia de armónicos también genera pérdidas adicionales en cables y transformadores, incrementando la resistencia y reduciendo la eficiencia del sistema. Por lo tanto, la reducción del uso de cargas no lineales o la implementación de medidas de mitigación son cruciales para mantener una óptima calidad de energía eléctrica.

Los armónicos, múltiplos de la frecuencia fundamental (60 Hz en México), constituyen una importante fuente de problemas en la calidad de la energía eléctrica. Los armónicos de orden 3, 5 y 7 son los más problemáticos. Su presencia provoca sobrecalentamiento en cables, transformadores y motores de inducción, generando pérdidas adicionales. El efecto Joule, incrementado por el efecto piel a altas frecuencias, agrava las pérdidas en los conductores. Además, los armónicos de secuencia cero producen corrientes excesivas por el neutro. El texto describe cómo los armónicos afectan diferentes componentes del sistema: en cables y conductores incrementan la resistencia, en las barras de neutro provocan un aumento de la corriente, y en los bancos de capacitores pueden ocasionar resonancia. Estos efectos generan pérdidas económicas y reducen la eficiencia del sistema, recalcando la importancia de la gestión y mitigación de los armónicos para mantener una buena calidad de la energía eléctrica.

Además de las cargas no lineales y los armónicos, otros eventos pueden deteriorar la calidad de la energía eléctrica. El documento menciona huecos de tensión, definidos como disminuciones bruscas de voltaje entre el 90% y el 1% del valor nominal, que pueden durar entre 10 ms y 1 minuto. Se indican, además, las fluctuaciones de voltaje como un problema significativo, las cuales impactan de forma directa en la calidad de la energía. Se incluyen también como causas de deterioro factores externos, como las descargas atmosféricas, y eventos imprevistos, como los cortes de energía por causas de fuerza mayor. Todos estos fenómenos influyen negativamente en la eficiencia y operatividad de los equipos eléctricos, resultando en pérdidas económicas importantes para las empresas. Por lo tanto, la mitigación de estos eventos, mediante la implementación de sistemas de protección y control, es fundamental para garantizar una adecuada calidad de la energía eléctrica.

Para llevar a cabo el análisis de la calidad de la energía eléctrica, se utilizaron diversos equipos de medición. Entre ellos se mencionan multímetros, osciloscopios y analizadores de redes. Los multímetros se utilizaron principalmente para medir voltajes, corrientes y resistencias, obteniendo valores RMS de las formas de onda. Se reconoce que en presencia de armónicos, algunos multímetros pueden presentar errores en la medición, a menos que empleen tecnologías como convertidores RMS-CD para obtener valores RMS reales. Los osciloscopios permitieron un análisis detallado de la forma de onda de voltaje, identificando irregularidades y distorsiones. Por otro lado, los analizadores de redes proporcionan una visión más completa de los parámetros de calidad de energía, permitiendo la detección y cuantificación de diferentes fenómenos como armónicos, flicker, y fluctuaciones de voltaje. En todas las mediciones se hizo énfasis en el uso del equipo de seguridad necesario, incluyendo casco, lentes, chaleco, guantes y detectores de voltaje.

El estudio se centró en la medición y análisis de varios parámetros clave de calidad de energía eléctrica. Se realizaron mediciones consecutivas y periódicas en alta y media tensión, enfocándose en la forma de onda de voltaje, las fluctuaciones de voltaje, la frecuencia del sistema y otros indicadores relevantes para la evaluación según los estándares mencionados. Entre los parámetros clave se encuentran: la frecuencia, analizando su desviación respecto a los 60 Hz; la tensión, verificando el cumplimiento con la curva ITIC; el factor de potencia, evaluando su cumplimiento con el Código de Red; la distorsión armónica total (THD) y la distorsión armónica total de demanda (TDD), para la evaluación del impacto de los armónicos; y el flicker, tanto a corto como a largo plazo (Pst y Plt). Para el análisis de los armónicos, se utilizaron métodos estadísticos, calculando percentiles (95 y 99) para períodos de un día y una semana, con el fin de comparar los resultados con los límites establecidos en el estándar IEEE 519. El análisis de la tensión se realizó utilizando la curva ITIC para determinar la tolerancia a variaciones de voltaje. El factor de potencia se evaluó según los requerimientos especificados en el Código de Red y las disposiciones administrativas para sistemas menores a 35 kV.

El análisis del centro de carga B México, a 13.8 kV, mostró un cumplimiento general con los estándares, a excepción de la distorsión armónica de corriente, específicamente en la armónica de orden 11 en las fases 1 y 2. Este incumplimiento indica la necesidad de implementar filtros para corrientes armónicas para corregir esta deficiencia y asegurar el cumplimiento total con las normas. La medición del factor de potencia mostró un cumplimiento con el Código de Red, manteniendo un promedio mensual de 0.95. La evaluación de la tensión, según la curva ITIC, indicó que los eventos registrados se encontraban dentro de la región de no interrupción, cumpliendo con los requisitos del Código de Red. Otros parámetros como la frecuencia mostraron un buen funcionamiento dentro de los límites establecidos. En resumen, el centro de carga B México presentó un buen desempeño general, con una única área de mejora identificada en la distorsión armónica, indicando la necesidad de filtros armónicos para solucionar la problemática.

El análisis del bus PEGI-2, tanto a 13.8 kV como a 110 kV, reveló incumplimientos en parámetros críticos de calidad de energía. En el bus de 13.8 kV, se detectaron problemas en el flicker y el factor de potencia. Se identificó que, aunque se sospecha de la empresa T como principal responsable por sus procesos y equipos, es necesario un análisis más detallado para determinar el origen preciso de los problemas. La solución propuesta incluye la instalación de compensadores dinámicos de voltaje y filtros para corrientes armónicas. En el bus de 110 kV, también se presentan incumplimientos en los estándares evaluados, lo que demanda un análisis más profundo para identificar los centros de carga responsables y así aplicar las soluciones apropiadas. Se requiere una evaluación precisa para determinar cuáles centros de carga impactan negativamente en el bus de alta tensión. Se indica la necesidad de implementar soluciones para asegurar el cumplimiento de los estándares y evitar penalizaciones.

El estudio concluyó que, si bien se observaron centros de carga que contribuyen a un buen desempeño del sistema eléctrico en términos de calidad de la energía, también se identificaron otros que presentan deficiencias significativas. En general, se evidenció un buen comportamiento en la estabilidad de la frecuencia debido a la interconexión con el Sistema Eléctrico Nacional. Todos los centros de carga cumplieron con las variaciones del voltaje de alimentación y el desbalance de voltaje. Sin embargo, se detectaron incumplimientos relacionados con el flicker, factor de potencia y distorsión armónica de corriente en algunos casos. Para asegurar el cumplimiento total con los estándares EN 50160 y el Código de Red, se recomiendan soluciones específicas como la implementación de filtros de armónicos y compensadores dinámicos de voltaje, además de un análisis más profundo para determinar con precisión el origen de las deficiencias en la calidad de la energía eléctrica.

Basándose en los resultados del estudio, se formulan recomendaciones para mejorar la calidad de la energía eléctrica en los centros de carga. Para el centro de carga B México, se sugiere la implementación de filtros para corrientes armónicas, específicamente para corregir la distorsión armónica detectada en la armónica de orden 11. En los buses PEGI-2 (13.8 kV y 110 kV), donde se detectaron problemas de flicker y factor de potencia, se propone la instalación de compensadores dinámicos de voltaje y filtros de armónicos. Estas medidas buscan corregir las deficiencias en la calidad de energía y asegurar el cumplimiento con las normas EN 50160 y el Código de Red. Se enfatiza la necesidad de un análisis más exhaustivo en los buses PEGI-2 para identificar con precisión qué centros de carga contribuyen a los problemas de calidad de la energía, permitiendo así aplicar soluciones más focalizadas y eficaces. La implementación de estas recomendaciones es clave para alcanzar el cumplimiento normativo y evitar posibles sanciones.

El documento sugiere mejoras futuras para profundizar en el análisis de la calidad de la energía eléctrica. Se destaca la importancia de realizar un análisis más exhaustivo para determinar con mayor precisión qué centros de carga específicos impactan negativamente en los buses de alta tensión, especialmente en los buses PEGI-2. Se propone una investigación más detallada de la influencia de las cargas no lineales, incluyendo un análisis de la correlación entre estas cargas y las fluctuaciones en parámetros como el flicker y el factor de potencia. Aunque algunos parámetros, como la tensión y la frecuencia, se mantienen sin cambios en los criterios de evaluación debido a la interconexión con el Sistema Eléctrico Nacional, se propone la integración de nuevos parámetros como el desbalance de voltaje para una evaluación más completa de la calidad de energía. La meta es mantener un cumplimiento estricto con los estándares de la calidad de energía y el Código de Red, lo cual requiere una continua evaluación y adaptación de las medidas de mitigación y control.