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Medición de la sensibilidad de procesos
industriales frente a huecos de tensión
Roberto Chouhy Leborgne, Member, IEEE

Resumen--Este artículo describe una aplicación de los métodos
de caracterización de huecos de tensión para obtener la
sensibilidad de procesos industriales a través de un sistema de
medición de la calidad de la energía. El método propuesto fue
aplicado a una industria de fabricación de cables para media y
baja tensión. Los resultados muestran que los procesos analizados
son principalmente sensibles a la magnitud de los huecos más allá
de la duración de los mismos.
Entre otras características se menciona la asimetría de los
favores de tensión en disturbios trifásicos, el salto de ángulo
de fase y el instante de inicio del hueco [6][7].
En este artículo se describe un método para determinar la
sensibilidad de procesos industriales donde los huecos de
tensión son caracterizados según las diversas maneras
propuestas en las normas para caracterizar estos disturbios [5].
II. CARACTERIZACIÓN DE HUECOS DE TENSIÓN
Index Terms—Calidad de energía eléctrica, huecos de tensión,
sensibilidad.
I. INTRODUCCIÓN
L
OS huecos de tensión son definidos como una reducción
del valor rms de la tensión a un valor inferior a 90% del
valor de referencia durante un intervalo corto de tiempo. La
duración de estos eventos está relacionada con el tiempo de
actuación del sistema de protección, siendo en la mayoría de
los casos inferior a un segundo. Sin embargo las normas
establecen diferentes designaciones para denominar los huecos
de acuerdo a su duración [1][2].
La sensibilidad de los equipos electro-electrónicos ha sido
presentada a través de un gráfico que relaciona la magnitud y
la duración de los huecos de tensión. Las curvas de referencia
más utilizadas son las curvas CBEMA, ITIC y SEMI. Sin
embargo estas curvas no ofrecen una respuesta satisfactoria
para describir el comportamiento de equipos trifásicos ya que
estos gráficos describen la magnitud y la duración de los
eventos para una de las 3 fases [4].
La representación de disturbios trifásicos ha sido objeto de
innúmeras controversias y aún no se ha llegado a un consenso
sobre este tema. Básicamente hay dos maneras de interpretar
estos disturbios. Una manera es considerarlos como tres
eventos monofásicos independientes y la otra es considerarlos
como un único evento que afecta a más de una fase. En este
último caso hay varias maneras de estimar la magnitud y
duración del hueco de tensión [5].
Algunos trabajos anteriores describen la sensibilidad de
ciertas cargas frente a los huecos de tensión. Estos trabajos
mencionan la necesidad de extender los métodos de
caracterización ya que se sospecha que los equipos no son
solamente sensibles a la magnitud y duración de los huecos.
This work was supported in part by CAPES Grant BEX1640-02-0
(Ministry of Education of Brazil).
R.C. Leborgne is with Chalmers University, Göteborg, SE-412 96 Sweden
(e-mail: [email protected]).
En este trabajo los huecos de tensión que afecten a más de
una fase de la red eléctrica se considerarán un único evento.
Este evento es caracterizado por la fase crítica, esto significa
que la fase que experimenta el hueco de tensión más severo es
utilizada para caracterizar el evento trifásico, como puede ser
observado en la Fig. 1. Esto es comúnmente llamado
agregación de fases.
Para evitar la contabilización de múltiples huecos
originados por el efecto de la acción fallida de un reconectador
también se realizó la agregación temporal de eventos. Dicha
agregación se ejecutó sobre una ventana de tiempo de un
minuto. Dentro de los huecos registrados en el intervalo de
tiempo de un minuto se eligió el más severo para representar el
evento agregado.
Fig. 1. Hueco de tensión trifásico
Para considerar los diferentes tipos de huecos de tensión del
punto de vista fasorial, los eventos fueron clasificados según el
método ABC [7]. Este método consiste en caracterizar los
huecos por su magnitud y duración, y por una tercera
característica que hace referencia al diagrama fasorial, como
se observa en la Fig. 2. De esta manera dos huecos con
idéntica magnitud y duración que afectan un número diferente
2
de fases pueden ser diferenciados.
IV. ESTUDIO DEL CASO
Tipo A
Tipo
Tipo AC
Tipo A
La planta industrial analizada se dedica a la fabricación de
conductores eléctricos de cobre y aluminio, y cables de baja,
media y alta tensión. En la Fig. 3 se observa el sistema
eléctrico de la fábrica. El suministro de electricidad es a través
del sistema de distribución en 13,8 kV. La potencia total de los
5 transformadores es de 5 MVA. Cuatro transformadores
13.8/0.44 kV alimentan los procesos industriales a través de un
circuito en anillo. El restante transformador 13.8/0.22 kV es
utilizado para el circuito que alimenta las oficinas y áreas de
mantenimiento.
Tipo B
Tipo
Tipo A
A
Tipo B
Tipo B
Tipo
Tipo
Tipo B
B
D
Fig. 2. Clasificación
huecos
trifásicos
C de tensión
Tipo D
Tipode
C los Tipo
Tipo
D
Tipo C
Tipo C
Tipo D
Tipo D
Como alternativa también se procedió a caracterizar los
huecos a través de un único parámetro. Se utilizó el método
llamado de pérdida de energía, que puede ser interpretado
como la energía no suministrada a la carga debido a la
reducción del valor rms de la tensión. Existen diferentes
propuestas para estimar este parámetro. En este trabajo fueron
utilizadas dos opciones. La primera (EVS) es la que está
propuesta en la norma IEEE P1564 [5]. La segunda (W) fue
presentada en [4].
2
2
2
tf 
tf 
tf 
  V (t )  

  V (t )  

  V (t )  
 (1)
EVS   1   a  dt   1   b  dt   1   c  dt
V
V
V
N
N
N












ti 
ti 
ti 



3.14
3.14
3.14
tf
tf
tf
 V 
 V 
 V 
W   1  a  dt   1  b  dt   1  c  dt (2)
VN 
VN 
VN 
ti 
ti 
ti 
donde V(t) es el valor rms de la tensión, VN es el valor nominal
de la misma, ti es el instante de inicio y tf es el tiempo de
finalización del evento.
III. MÉTODO DE MEDICIÓN
Los equipos de medición utilizados registran el valor
instantáneo de la tensión en las tres fases, durante un número
predeterminado de ciclos cada vez que el valor rms cruza el
umbral de detección. Los registros incluyen valores preevento, siendo que en total son registrados 54 ciclos, lo que
equivale a 900 ms de medición para la red de 60 hz.
Los medidores tienen una memoria interna de 4 Mbytes lo
que les dio una autonomía para almacenar registros de por lo
menos un mes, considerando que en promedio no ocurrieron
más de 10 eventos en un mes. Los datos fueron recogidos
mensualmente en un computador para su procesamiento.
A partir de los valores instantáneos de tensión, los huecos
fueron caracterizados según las metodologías presentadas:
magnitud, duración, tipo y pérdida de energía. Estos datos
fueron correlacionados con los registros de producción de los
procesos analizados para determinar cuales huecos causaron
interrupción o un mal funcionamiento de las cargas.
Fig. 3. Diagrama eléctrico de la planta analizada
Los procesos analizados fueron elegidos utilizando los
siguientes criterios:
• Importancia de las cargas dentro del proceso de
fabricación;
• Frecuencia de paradas de producción debidas a causas
que podrían ser relacionadas a disturbios en la red de
alimentación eléctrica;
• Costos asociados a las paradas de producción no
programadas: pérdida de materias primas, tiempo de retomada
de producción, etc.
El proceso más sensible a huecos es el de fabricación de
cables de alta tensión. Es también el más complejo pues
incluye varias extrusoras que son utilizadas simultáneamente
para la fabricación de las múltiples capas aislantes y
semiconductoras que componen el aislamiento del cable de
alta tensión. Las principales cargas que componen este proceso
son: motor de inducción controlado por un inversor de
frecuencia y varios motores de CC controlados por
conversores cuyas potencias están comprendidas entre 7,5 y 65
Hp.
3
Caracterização Clássica
1
0.9
0.8
Intensidade [pu]
El periodo de medición se extendió durante un año para
poder observar un número representativo de eventos. Cabe
mencionar que los huecos de tensión son eventos relacionados
a faltas en la red, siendo que un gran número de ellas están
vinculadas a descargas atmosféricas. Por lo tanto es importante
incluir los periodos donde se concentra la mayor ocurrencia de
faltas.
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
V. RESULTADOS
0
1
Una vez realizada la agregación de fases de los huecos
trifásicos y la agregación temporal de los eventos causados por
el efecto de los reconectadores, el número total de huecos
registrados durante un año de medición fue de 41. Algunos de
ellos son listados en la Tabla 1.
W
[p.u.-ms]
Magnitud
[p.u.]
Duración
[ms]
Tipo
Estado del
Proceso
29/07/2002@1
4:50:01.377
09/08/2002@1
5:03:46.426
07/09/2002@0
3:57:08.902
13/10/2002@0
6:43:59.351
15/10/2002@1
1:43:48.323
29/10/2002@0
8:47:47.810
29/10/2002@2
3:29:00.810
29/12/2002@1
6:53:11.239
06/02/2003@1
8:00:28.965
22/02/2003@1
3:08:53.457
22/02/2003@1
3:36:10.259
04/03/2003@1
5:57:16.821
EVS
[p.u.-ms]
Timestamp
dd/mm/yyyy @
hh:mm:ss.ms
TABLA 1
REGISTRO DE HUECOS DE TENSIÓN
239
42
0.40
166
C
PT
569
14
0.73
514
A
NS
465
79
0.40
230
A
NC
326
112
0.21
133
C
NC
22
0.34
0.77
37
C
NS
338
132
0.09
369
D
PT
64
11
0.33
41
C
PT
190
23
0.47
141
C
NC
37
1.5
0.64
43
C
PT
36
1.1
0.67
47
C
PT
444
61
0.44
208
A
NC
17
0.53
0.71
38
D
NS
10
100
1000
Duração [ms]
Fig. 4. Representación
huecos
través
de su magnitud
y duración.
Paradade
de los
Produção
Nãoapára
a Produção
Processo Inoperante
La sensibilidad del proceso estimada a través de la pérdida
de energía calculada según (1) y (2) es presentada en forma
gráfica en las Fig. 5 y 6. Los eventos fueron ordenados en
forma creciente de acuerdo a la energía calculada. Los huecos
que provocaron parada de proceso son representados con
barras largas de color rojo. Los huecos que no tuvieron efectos
en el proceso son representados por barras cortas de color
verde. Las barras cortas de color blanco representan los huecos
que por su baja magnitud deberían haber provocado parada de
proceso.
Pérdida de Energía [p.u. ms]
Parada de
Producción
1.
49
2.
55
4.
33
5.
17
6.
23
7.
75
9.
15
10
.1
11
.0
16
.5
22
.9
29
.3
37
.1
42
.8
Parada de Producción No para la Producción
64
.0
70
.1
85
.1
23
9
33
9
44
4
56
9
Proceso inoperante
Fig. 5. Huecos caracterizados a través de EVS ecuación (1), en rojo los huecos
severos.
Metodologia de Heydt-Thallam [p.u. ms]
Parada de
Produção
Parada de Produção
Não pára a Produção
132
78.7
42.1
13.6
2.95
1.79
1.14
0.93
0.65
0.29
0.24
0.18
0.17
0.15
0.12
0.11
0.07
0.05
0.05
0.02
La mayoría de los eventos no pudieron ser considerados
severos y no tuvieron efectos visibles sobre las cargas
analizadas. Sin embargo 5 huecos ocasionaron la parada total
del proceso, generando pérdidas significativas de materia
prima, tiempo de trabajo y retraso en la fabricación y en la
entrega de pedidos a clientes. Los huecos que provocaron la
parada del proceso son identificados en la Fig. 4 con color
rojo. En esta figura también se incluyen, con líneas rojas, los
umbrales de magnitud y duración de los eventos severos.
0.01
Nota: PT: parada del proceso, NC: proceso no operando, NS:
proceso sin problemas.
Processo inoperante
Fig. 6 Huecos caracterizados a través de W ecuación (2), en rojo los huecos
severos.
La superposición de huecos severos y no severos dificulta
el establecimiento de un umbral de energía que logre clasificar
en forma consistente la sensibilidad de la carga del punto de
vista de la energía calculada según (1) y (2).
4
Los principales resultados de la aplicación de las
ecuaciones (1) y (2) son presentados en la Tabla 2. El cálculo
de la pérdida de energía no arrojó resultados muy adecuados
para caracterizar la sensibilidad del proceso. Por ejemplo, el
mayor valor de un hueco que no causó parada de proceso fue
de 14 pu.ms, en cuanto el menor valor de hueco que afectó el
proceso fue de 1.1 pu.ms cuando la pérdida de energía es
calculada utilizando la ecuación (2). Esto significa que no fue
posible distinguir un valor a partir del cual los huecos puedan
ser considerados severos. Los resultados de utilizar la ecuación
(1) arrojan conclusiones similares.
TABLA 2
RESULTADO DEL CÁLCULO DE LA PÉRDIDA DE ENERGÍA, CASOS EXTREMOS
Valor máximo
calculado
Mayor valor sin
consecuencias
Menor valor con
consecuencias
EVS [pu.ms]
W [pu.ms]
569
132
569
14
36
1.1
También se intentó caracterizar la sensibilidad del proceso
considerando los distintos tipos de huecos de tensión trifásicos
ABC según descrito en la Fig. 2. Dentro de los huecos
considerados severos, 7 fueron clasificados como tipo C, 2
como tipo D y 1 como tipo A. No fue posible extraer una
conclusión contundente sobre el comportamiento de las cargas
frente a los distintos tipos de huecos pues el número de huecos
severos fue muy reducido en las categorías A y D. De
cualquier manera es de esperar que huecos en solamente una
fase sean menos severos que un hueco de magnitud similar que
afecta más de una fase.
VI. CONCLUSIONES
Felizmente la mayoría de los huecos de tensión no
ocasionaron problemas a los procesos industriales. Sin
embargo, considerando el gran número de eventos por año los
eventos severos son un problema serio para los procesos de
producción continuos.
El proceso analizado experimentó 5 paradas durante el
periodo de medida (1 año). El proceso presentó una
sensibilidad a los huecos de magnitud menor a 0.70 pu
independientemente de la duración del mismo, siendo que
varios huecos severos tuvieron una duración menor a 50 ms.
Por otro lado huecos de magnitud levemente superior a 0.70
pu y duración próxima a 1 segundo no afectaron al proceso.
La caracterización de la sensibilidad a los huecos trifásicos
tomando en cuenta la clasificación ABC no arrojo resultados
concluyentes debido al escaso número de huecos severos.
La sensibilidad del proceso descrita a través de la perdida
de energía no fue consistente pues se superpusieron eventos
severos y no severos.
VII. AGRADECIMIENTOS
Se agradece a los profesores Jose Maria Carvalho Filho y
Jose Policarpo G. de Abreu de la Universidad Federal de
Itajuba por la supervisión de este trabajo.
VIII. REFERENCIAS
IEEE Std. 1159, “Recommended Practice for Monitoring Electric Power
Quality”, 1995.
[2] IEC 61000-2-8, “Voltage Dips and Short Interruptions on Public
Electric Power Supply Systems with Statistical Measurement Results”,
2002.
[3] IEC 61000-4-30, “Testing and Measurement Techniques - Power
Quality Measurement Methods”, 2001.
[4] R. S. Thallam, G. T. Heydt, "Power Acceptability and Voltage Sag
Indices in the Three-Phase Sense", IEEE PES Summer Meeting, July
2000, Seattle, WA.
[5] IEEE Std. P1564, Draft 6, “Recommended Practice for the
Establishment of Voltage Sag Indices”, 2004.
[6] P. Pohjanheimo, M. Lehtonen, “Equipment Sensitivity to Voltage Sags
– Test Results for Contactors, PCs and Gas Discharge Lamps”,
Proceedings IEEE-PES 10th International Conference on Harmonics
and Quality of Power, Rio de Janeiro, Brasil, 2002.
[7] M. H. J. Bollen, L. D. Zhang, "Analysis of Voltage Tolerance of AC
Adjustable-Speed Drives for Three-Phase Balanced and Unbalanced
Sags", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.36, No.3, 2000.
[8] M. H. J. Bollen, “Understanding Power Quality Problems: Voltage Sags
and Interruptions”, IEEE Press, New York, 2000.
[9] R. C. Leborgne, J. M. Carvalho Filho, J. P. G. Abreu, T. C. Oliveira, A.
A. Postal, L. H. Zaparolli, “Alternative Methodology for
Characterization of Industrial Process Sensitivity to Voltage Sags”,
Proceedings IEEE-PES Power Tech, Bologna, Italy, 2003.
[10] Roberto Chouhy Leborgne, “Uma Contribuição à Caracterização da
Sensibilidade de Cargas e Processos Industriais frente a Afundamentos
de Tensão”, Tesis de maestría, Universidade Federal de Itajuba, Brasil,
2003.
[1]
IX. BIOGRAFÍAS
Roberto Chouhy Leborgne (M’2001) recibió el titulo de ingeniero
electricista y magíster en ciencias de la Universidad Federal de Itajuba, Brasil,
en 1998 y 2003 respectivamente. Recibió el titulo de Licenciado en
Tecnología de la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia, en 2005.
Su experiencia profesional incluye ABB-Daimler Benz Transportation
Brazil y Teyma Abengoa Uruguay. Actualmente es investigador del Instituto
de Potencia de la Universidad Tecnológica de Chalmers donde trabaja en su
tesis doctoral. Su área de investigación incluye calidad de la energía eléctrica
y operación y planificación de sistemas eléctricos de potencia.