Influencia de armónicos superiores de tensión y corriente en el funcionamiento de equipos eléctricos

Los armónicos de mayor voltaje y corriente afectan los elementos de los sistemas de potencia y las líneas de comunicación.

Las principales formas de influencia de los armónicos superiores en los sistemas de potencia son:

• aumento de corrientes y tensiones de armónicos superiores debido a resonancias en paralelo y en serie;

• reducir la eficiencia de los procesos de producción, transmisión, uso de electricidad;

• envejecimiento del aislamiento de los equipos eléctricos y consiguiente reducción de su vida útil;

• falso funcionamiento del equipo.

Influencia de las resonancias en los sistemas

Las resonancias en los sistemas de potencia generalmente se consideran en términos de capacitores, particularmente capacitores de potencia. Cuando los armónicos de la corriente exceden los niveles máximos permisibles para los capacitores, estos últimos no deterioran su desempeño, pero fallan después de un tiempo.

Otra área donde las resonancias pueden causar daño al equipo es en los sistemas de control de carga de sobretonos. Para evitar que la señal sea absorbida por los condensadores de potencia, sus circuitos están separados por un filtro serie sintonizado (filtro-«notch»). En el caso de resonancia local, los armónicos de la corriente en el circuito del condensador de potencia aumentan considerablemente, lo que provoca daños en el condensador sintonizado del filtro en serie.

En una de las instalaciones, unos filtros sintonizados a una frecuencia de 530 Hz con una corriente de paso de 100 A bloquearon cada circuito de un condensador de potencia que contaba con 15 tramos de 65 kvar. Condensadores estos filtros fallaron después de dos días. El motivo fue la presencia de un armónico con una frecuencia de 350 Hz, en cuyo entorno inmediato se establecieron las condiciones de resonancia entre el filtro sintonizado y los condensadores de potencia.

Efecto de los armónicos en las máquinas rotativas

Los armónicos de tensión y corriente provocan pérdidas adicionales en los devanados del estator, en los circuitos del rotor y en el acero del estator y del rotor. Las pérdidas en los conductores del estator y del rotor debidas a las corrientes de Foucault y al efecto de superficie son mayores que las determinadas por la resistencia óhmica.

Las corrientes de fuga provocadas por armónicos en las zonas finales del estator y el rotor provocan pérdidas adicionales.

En un motor de inducción de rotor cónico con flujo magnético pulsante en el estator y el rotor, los armónicos más altos provocan pérdidas adicionales en el acero. La magnitud de estas pérdidas depende del ángulo de inclinación de las ranuras y de las características del circuito magnético.

La distribución promedio de pérdidas de armónicos más altos se caracteriza por los siguientes datos; devanado del estator 14%; cadenas de rotor 41%; zonas de anotación 19%; onda asimétrica 26%.

Excepto por las pérdidas de onda asimétricas, su distribución en máquinas síncronas es aproximadamente la misma.

Cabe señalar que los armónicos impares adyacentes en el estator de una máquina síncrona provocan armónicos de la misma frecuencia en el rotor. Por ejemplo, los armónicos 5 y 7 en el estator provocan armónicos de corriente de sexto orden en el rotor, girando en diferentes direcciones. Para sistemas lineales, la densidad de pérdida promedio en la superficie del rotor es proporcional al valor, pero debido a la diferente dirección de rotación, la densidad de pérdida en algunos puntos es proporcional al valor (I5 + I7) 2.

Las pérdidas adicionales son uno de los fenómenos más negativos causados ​​por los armónicos en las máquinas rotativas. Provocan un aumento de la temperatura general de la máquina y un sobrecalentamiento local, muy probablemente en el rotor. Los motores de jaula de ardilla permiten mayores pérdidas y temperaturas que los motores de rotor bobinado. Algunas pautas limitan el nivel de corriente de secuencia negativa permitido en el generador al 10 % y el nivel de voltaje de secuencia negativa en las entradas del motor de inducción al 2 %. La tolerancia de los armónicos en este caso está determinada por los niveles de voltajes y corrientes de secuencia negativa que crean.

Los pares generados por armónicos. Los armónicos de la corriente en el estator dan lugar a los pares correspondientes: armónicos que forman una secuencia positiva en el sentido de rotación del rotor y forman una secuencia inversa en el sentido opuesto.

Las corrientes armónicas en el estator de la máquina provocan una fuerza motriz, lo que provoca la aparición de momentos de torsión en el eje en el sentido de giro del campo magnético armónico. Por lo general, son muy pequeños y también están parcialmente desplazados debido a la dirección opuesta. Sin embargo, pueden hacer que el eje del motor vibre.

Influencia de armónicos en equipos estáticos, líneas eléctricas. Los armónicos de corriente en las líneas provocan pérdidas adicionales de electricidad y tensión.

En las líneas de cable, los armónicos de tensión aumentan el efecto sobre el dieléctrico en proporción al aumento del valor máximo de la amplitud. Esto, a su vez, aumenta la cantidad de fallas en los cables y los costos de reparación.

En líneas EHV, los armónicos de voltaje pueden causar un aumento en las pérdidas de corona por la misma razón.

Influencia de los armónicos superiores en los transformadores

Los armónicos de tensión provocan un aumento de las pérdidas por histéresis y pérdidas por corrientes parásitas en el acero de los transformadores, así como pérdidas en los devanados. La vida útil del aislamiento también se reduce.

El aumento de las pérdidas en los devanados es más importante en un transformador reductor porque la presencia de un filtro, generalmente conectado al lado de CA, no reduce los armónicos de corriente en el transformador. Por lo tanto, es necesario instalar un gran transformador de potencia. También se observa un sobrecalentamiento local del tanque del transformador.

Un aspecto negativo del efecto de los armónicos en los transformadores de alta potencia es la circulación de corriente triple de secuencia cero en los devanados conectados en delta. Esto puede abrumarlos.

Influencia de los armónicos superiores en los bancos de condensadores

Las pérdidas adicionales en los condensadores eléctricos conducen a su sobrecalentamiento. En general, los capacitores están diseñados para soportar cierta sobrecarga de corriente. Los condensadores producidos en Gran Bretaña permiten una sobrecarga del 15%, en Europa y Australia - 30%, en los EE. UU. - 80%, en la CEI - 30%. Cuando se superan estos valores, observados en condiciones de aumento de tensión de armónicos superiores en las entradas de los condensadores, estos últimos se sobrecalientan y fallan.

Influencia de los armónicos superiores en los dispositivos de protección del sistema de potencia

Los armónicos pueden interferir con el funcionamiento de los dispositivos de protección o perjudicar su funcionamiento. La naturaleza de la violación depende del principio de funcionamiento del dispositivo. Los relés digitales y los algoritmos basados ​​en análisis de datos discretizados o análisis de cruce por cero son especialmente sensibles a los armónicos.

Muy a menudo, los cambios en las características son menores. La mayoría de los tipos de relés funcionarán normalmente hasta un nivel de distorsión del 20 %. Sin embargo, aumentar la proporción de convertidores de potencia en las redes puede cambiar la situación en el futuro.

Los problemas que surgen de los armónicos son diferentes para los modos normal y de emergencia y se analizan por separado a continuación.

Impacto de los armónicos en los modos de emergencia

Los dispositivos de protección suelen responder a la tensión o corriente de frecuencia fundamental y cualquier armónico transitorio se filtra o no afecta al dispositivo. Este último es característico de los relés electromecánicos, especialmente utilizados en protección contra sobrecorriente. Estos relés tienen una alta inercia, lo que los hace prácticamente insensibles a los armónicos más altos.

Más significativa es la influencia de los armónicos en el rendimiento de la protección en función de la medición de la resistencia. La protección de distancia, donde la resistencia se mide a la frecuencia fundamental, puede dar errores significativos en presencia de armónicos más altos en la corriente de cortocircuito (especialmente de 3er orden). Por lo general, se observa un alto contenido de armónicos cuando la corriente de cortocircuito fluye a través de tierra (la resistencia de tierra domina la resistencia total del bucle). Si no se filtran los armónicos, la probabilidad de falso funcionamiento es muy alta.

En el caso de un cortocircuito metálico, la corriente está dominada por la frecuencia fundamental. Sin embargo, debido a la saturación del transformador, se produce una distorsión de la curva secundaria, especialmente en el caso de una gran componente de CC en la corriente primaria. En este caso, también hay problemas para garantizar el funcionamiento normal de la protección.

En condiciones de operación de estado estable, la no linealidad asociada con la sobreexcitación del transformador provoca solo armónicos de orden impar. Todo tipo de armónicos pueden ocurrir en modos transitorios, siendo las amplitudes más grandes el segundo y el tercero.

Sin embargo, con un diseño adecuado, la mayoría de los problemas enumerados se resuelven fácilmente. La elección del equipo adecuado elimina muchas de las dificultades asociadas con los transformadores de medida.

El filtrado de armónicos, especialmente en protecciones digitales, es más importante para la protección a distancia. El trabajo realizado en el campo de los métodos de filtrado digital ha puesto de manifiesto que aunque los algoritmos para dicho filtrado suelen ser bastante complejos, la obtención del resultado deseado no presenta especiales dificultades.

La influencia de los armónicos en los sistemas de protección durante los modos normales de funcionamiento de las redes eléctricas. La baja sensibilidad de los dispositivos de protección a los parámetros de modo en condiciones normales conduce a la práctica ausencia de problemas asociados con los armónicos en estos modos. Una excepción es el problema asociado con la inclusión de transformadores potentes en la red, acompañados de un aumento en la corriente de magnetización.

La amplitud del pico depende de la inductancia del transformador, la resistencia del devanado y el momento en que se enciende el encendido. El flujo residual en el instante previo al encendido aumenta o disminuye ligeramente la amplitud, dependiendo de la polaridad del flujo con respecto al valor inicial de la tensión instantánea. Dado que no hay corriente en el lado secundario durante la magnetización, una corriente primaria grande puede hacer que la protección diferencial se dispare falsamente.

La forma más sencilla de evitar falsas alarmas es usar un retardo de tiempo, pero esto puede causar daños graves al transformador si ocurre un accidente mientras está encendido. En la práctica, el segundo armónico presente en la corriente de irrupción, poco característico de las redes, se utiliza para bloquear la protección, aunque la protección permanece bastante sensible a las faltas internas del transformador durante el encendido.

Efecto de los armónicos en los equipos de consumo

La influencia de los armónicos superiores en los televisores

Los armónicos que aumentan el voltaje máximo pueden causar distorsión de la imagen y cambios en el brillo.

Lámparas fluorescentes y de mercurio. Los balastos de estas lámparas a veces contienen condensadores y, en determinadas condiciones, puede producirse una resonancia que provoque un fallo de la lámpara.

Efecto de los armónicos superiores en las computadoras

Existen límites a los niveles permisibles de distorsión en las redes que alimentan las computadoras y los sistemas de procesamiento de datos. En algunos casos, se expresan como un porcentaje del voltaje nominal (para una computadora IVM — 5%) o como la relación entre el voltaje pico y el valor promedio (CDC establece sus límites permisibles en 1,41 ± 0,1).

La influencia de los armónicos más altos en los equipos de conversión

Las muescas en el voltaje sinusoidal que ocurren durante el cambio de válvula pueden afectar la sincronización de otros equipos o dispositivos similares que se controlan durante la curva de voltaje cero.

La influencia de armónicos más altos en equipos de velocidad controlados por tiristores

En teoría, los armónicos pueden afectar dicho equipo de varias maneras:

• las muescas de la onda sinusoidal provocan un mal funcionamiento debido al fallo de encendido de los tiristores;

• los armónicos de voltaje pueden causar fallos de encendido;

• la resonancia resultante en presencia de varios tipos de equipos puede provocar sobretensiones y vibraciones en las máquinas.

Los impactos descritos anteriormente pueden ser sentidos por otros usuarios conectados a la misma red. Si el usuario no tiene dificultades con los equipos controlados por tiristores en sus redes, es poco probable que afecte a otros usuarios. En teoría, los consumidores alimentados por diferentes buses pueden influir entre sí, pero la distancia eléctrica reduce la probabilidad de tal interacción.

Efecto de los armónicos en las medidas de potencia y energía

Los dispositivos de medición generalmente se calibran para voltajes sinusoidales puros y aumentan la incertidumbre en presencia de armónicos más altos. La magnitud y dirección de los armónicos son factores importantes porque el signo del error está determinado por la dirección de los armónicos.

Los errores de medición causados ​​por armónicos dependen en gran medida del tipo de instrumentos de medición. Los medidores de inducción convencionales suelen sobrestimar las lecturas en un pequeño porcentaje (6 % cada uno) si el usuario tiene una fuente de distorsión. Dichos usuarios son sancionados automáticamente por introducir distorsiones en la red, por lo que es de su propio interés establecer los medios apropiados para suprimir estas distorsiones.

No hay datos cuantitativos sobre la influencia de los armónicos en la precisión de la medición de la carga máxima. Se supone que la influencia de los armónicos en la precisión de la medición de carga máxima es la misma que en la precisión de la medición de energía.

La medición precisa de la energía, independientemente de la forma de las curvas de corriente y voltaje, la proporcionan los medidores electrónicos, que tienen un costo más alto.

Los armónicos afectan tanto a la precisión de la medición de la potencia reactiva, que está claramente definida solo en el caso de corrientes y tensiones sinusoidales, como a la precisión de la medición del factor de potencia.

Rara vez se menciona la influencia de los armónicos en la precisión de la inspección y calibración de instrumentos en los laboratorios, aunque este aspecto del asunto también es importante.

La influencia de los armónicos en los circuitos de comunicación.

Los armónicos en los circuitos de potencia provocan ruido en los circuitos de comunicación.Un bajo nivel de ruido genera cierta incomodidad, a medida que aumenta, parte de la información transmitida se pierde, en casos extremos, la comunicación se vuelve completamente imposible. En este sentido, con cualquier cambio tecnológico en el suministro de energía y los sistemas de comunicación, es necesario tener en cuenta la influencia de las líneas eléctricas en las líneas telefónicas.

El efecto de los armónicos en el ruido de la línea telefónica depende del orden de los armónicos. En promedio, el teléfono - el oído humano tiene una función de sensibilidad con un valor máximo a una frecuencia del orden de 1 kHz. Evaluar la influencia de varios armónicos en el ruido c. el teléfono utiliza coeficientes, que son la suma de los armónicos tomados con ciertos pesos. Dos coeficientes son los más comunes: ponderación sofométrica y transmisión C. El primer factor fue desarrollado por el Comité Consultivo Internacional sobre Sistemas Telefónicos y Telegráficos (CCITT) y se usa en Europa, el segundo, por Bella Telephone Company y el Instituto Electrotécnico Edison, se usa en los Estados Unidos y Canadá.

Las corrientes armónicas en las tres fases no se compensan completamente entre sí debido a la desigualdad de amplitudes y ángulos de fase y afectan las telecomunicaciones con la corriente de secuencia cero resultante (similar a las corrientes de falla a tierra y las corrientes a tierra de los sistemas de tracción).

La influencia también puede ser causada por corrientes armónicas en las propias fases debido a la diferencia de distancias entre los conductores de fase y las líneas de telecomunicaciones cercanas.

Estos tipos de influencias pueden mitigarse mediante la selección adecuada de los trazos de línea, pero en el caso de cruces de línea inevitables, tales influencias ocurren.Se manifiesta de forma especialmente fuerte en el caso de una disposición vertical de los hilos de la línea eléctrica y cuando los hilos de la línea de comunicación se transponen en las proximidades de la línea eléctrica.

A grandes distancias (más de 100 m) entre las líneas, el principal factor de influencia resulta ser la corriente de secuencia cero. Cuando la tensión nominal de la línea eléctrica disminuye, la influencia disminuye, pero se nota debido al uso de soportes comunes o zanjas para tender líneas eléctricas de baja tensión y líneas de comunicación.