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Calidad de energía un concepto que se fortalece

Este análisis aborda el tema de la calidad de la energía desde dos aspectos: el primero, considerando el punto de vista del usuario o consumidor de electricidad; y el segundo, desde la posición del suministrador del servicio, dos de los actores principales en esta cadena

Por Eduardo Sánchez de Aparicio

Hoy comienza a volverse imperativo conocer y hablar sobre la calidad de energía eléctrica. En años anteriores, y antes de la Reforma Energética, el objetivo del suministrador de energía era otorgar dicho servicio de forma continua, segura y eficiente. Sin embargo, pareciera que este tercer componente es al que menos importancia se le ha prestado. La NOM-001-SEDE-2012 y sus antecesoras tienen como objetivo primario otorgar los lineamientos para la creación de instalaciones eléctricas humanamente seguras y, adicionalmente, cuidar las instalaciones y sus propiedades (infraestructura, equipo, conductores, etcétera).

Durante mucho tiempo, la Comisión Federal de Electricidad (CFE) le ha dado un gran peso a uno de los indicadores que tienen que ver con la continuidad en el suministro de la energía y el tiempo de interrupción de ésta para los usuarios. El factor “eficiente”, que se relaciona con el tema de calidad de energía, es un tema que debería tener mayor relevancia, con el fin de seguir contando con la lealtad de sus clientes. Es así que la calidad de la energía tiene que ver con conceptos como cambios en la frecuencia de operación, caídas de voltaje, voltajes fuera de los parámetros (sobretensiones o subtensiones), armónicas, factor de potencia, entre otros.

Es necesario considerar que las instalaciones ya cumplen con los requerimientos técnicos necesarios para obedecer a una instalación eléctrica humanamente segura y de salvaguardar las propiedades de la red eléctrica; asimismo, cumplen con la infraestructura necesaria para lograr suministrar la energía de forma continua. Aunque la energía no sea interrumpida, no necesariamente es de óptima calidad y  es ahí donde hay que centrar la atención.

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Figura 1. Ejemplo de la resultante de la interacción de la tercera armónica (180 Hz) con la señal de voltaje fundamental a 60 Hz

Frecuencia
Hoy en día, el mundo eléctrico está regido por sistemas de 50 o 60 Hz, siendo la primera frecuencia la más popular en extensión territorial. Por su parte, América del Norte, Centroamérica, algunos países de América del Sur (principalmente países de la parte superior de esta región), así como Arabia Saudita, han optado por la frecuencia a 60 Hz.

El control de la frecuencia está relacionado directamente con la generación de energía a través de las turbinas y los generadores síncronos. Los cambios de la frecuencia dependen directamente de la energía mecánica que la turbina envía al generador, por lo que su regulación se da a partir de las válvulas que controlan la energía que entra al generador. El segundo factor importante, que directamente se relaciona con una variación de la frecuencia, es la potencia que se crea contra la potencia demandada. Por ello, es importante que la compañía generadora siempre se ubique en una situación en la que la energía que se suministra sea mayor a la que se demanda, ya que en caso contrario se hace uso de una energía de reserva para controlar la frecuencia y, de no ser suficiente ésta, puede llegar a tomarse la decisión de realizar una desconexión de cargas (esto puede deberse a un sobrepico de demanda o a la salida de una sección importante de generación o la salida de una línea importante de transmisión).

A raíz de la Reforma Energética, y a la actualización de la Ley de Servicio Público de Energía Eléctrica, comenzaron a abrirse varios conceptos que anteriormente no estaban contemplados, o a los que no se les daba la relevancia que en la actualidad tienen. Entre estos conceptos están la transformación de la CFE como empresa productiva del Estado, la apertura a nuevos competidores para la generación y suministro de energía eléctrica y la Ley de Servicio Público de Energía Eléctrica en su artículo 36, en el que se determina que se otorgan permisos a particulares para autoabastecimiento, cogeneración, producción independiente, pequeña producción o de importación/exportación de electricidad. Todos estos nuevos conceptos están dirigidos a disminuir los costos del insumo, aumentar la inversión en tecnología para la mejora de procesos, incrementar la competencia para minimizar prácticas ineficientes, fomentar el uso racional y la generación de energía limpia, así como aumentar la productividad y mejorar la calidad de la energía.

Dentro del concepto de la calidad de la energía, ya se hizo mención del tema de la frecuencia, el cual, desde sus inicios, es un factor que ha sido controlado y mejorado a través de sistemas que cada vez más ayudan a mitigar las variaciones en la frecuencia. De igual forma, con esta apertura mencionada, por un lado, está el aumento en las variaciones de demanda como consecuencia de la generación distribuida, en la cual un generador de energía puede utilizar la producida y, en caso de que haya un excedente, inyectarlo a la red eléctrica. Aunque también puede suceder lo contrario: en caso de que le falte, se puede ab-sorber esa energía de la red, ocasionando que haya importantes variaciones en las cargas conectadas al sistema respecto al tiempo, y como consecuencia se presente el surgimiento de variaciones de voltajes, cambios en el factor de potencia y generación de armónicas. Cuando estas variaciones de voltaje son demasiadas (?V) (fuera de parámetros superior o inferior de acuerdo con la ANSI C84.1), los equipos conectados a la red, como electrodomésticos, computadoras, televisores, entre otros, pueden sufrir desgastes e, inclusive, fallas inmediatas.

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Figura 2. Una calidad de energía deficiente puede observarse con variaciones de voltaje (?V), sobretensiones y picos transitorios, entre otros

Pérdidas técnicas y caída de tensión
Otros factores importantes referentes a la calidad de energía son las pérdidas técnicas y la caída de tensión, esta última asociada con los conductores, calibres, distancias, conversiones de energía y accesorios instalados a la red. Una caída razonable y admisible para considerar una buena calidad de la energía entregada es de

5 % desde el alimentador (salida del transformador) hasta el contacto más lejano, de acuerdo con la NOM-001-SEDE-2012.

Cuando se tiene una caída de voltaje superior al porcentaje mencionado, los equipos conectados a esa red no entregan un desempeño óptimo y aumenta el uso de su corriente (baja eficiencia energética) para compensar la baja del voltaje, originando un potencial aumento de temperatura y sobrecalentamiento en los conductores, un estrés mayor en los aislamientos, que los desgasta y puede adelantar que ocurra una falla técnica. En el mercado, hay dispositivos que ayudan a compensar esta caída de voltaje, así como a regular los voltajes de entrada para mejorar la calidad de la energía. Estos equipos normalmente son instalados en la acometida o en la red secundaria de baja tensión.

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Figura 3. A lo largo del ciclo, desde la generación hasta el consumo, hay pérdidas técnicas de energía que disminuyen la calidad de la energía al momento del consumo

Factor de potencia
Otra variable que está directamente relacionada con la calidad de la energía es el factor de potencia. Si una instalación eléctrica cuenta con un factor de potencia de 1, significa que la potencia real que se consume es equivalente a la potencia entregada por el suministrador; sin embargo, cuando el factor de potencia comienza a disminuir (0.98, 0.95, 0.90 y consecuentes) significa que la potencia entregada es mayor que la potencia consumida real y esa diferencia es una potencia reactiva (o imaginaria porque se desperdicia), lo que ocasiona también un desaprovechamiento y uso ineficiente de la energía; es decir, el factor de potencia es un indicador importante para el correcto aprovechamiento de la energía. Para contar con un factor de potencia de 1, o lo más cercano a 1, se puede instalar un banco de capacitores, el cual ayudará a compensar la potencia reactiva y mejorar el factor de potencia. Actualmente, desde el punto de vista del suministrador, como por ejemplo la CFE, es obligación del usuario corregir el factor de potencia, ya que en caso de que el factor de potencia sea menor a 0.95 hay una multa, que se incluye en el recibo de consumo de energía, el cual debe correr por cuenta del usuario.

Así, con el aumento de competidores y la transformación de la CFE como empresa productiva del Estado, los suministradores de energía empezarán a preocuparse más por cuestiones como medir, controlar y mejorar este factor. Todo ello para garantizar al usuario que la energía que recibe no cuenta con un componente reactivo o imaginario y que aprovechará la energía en su totalidad como consumidor.

Debido a la competencia y abierta selección que se proyecta que haya en el mercado eléctrico, el usuario podrá escoger al que, a su percepción, y experiencia figure como el mejor.

Armónicas
El siguiente concepto relacionado con la calidad de la energía es el de las armónicas. Las armónicas se entienden como “corrientes parásitas” dentro de la senoide del voltaje y la corriente. Entre otras consecuencias, generan una conducción mayor de corriente en el neutro y sobrecalentamientos. Las armónicas son valores de voltaje y corriente que se comportan a una diferente frecuencia del sistema. Como se mencionó, en el mundo se utilizan dos tipos de frecuencia en los sistemas eléctricos (50 y 60 Hz). Las armónicas son ondas de comportamiento sinusoidal caprichoso que van a una frecuencia del sistema diferente y su orden es la razón que hay entre la frecuencia del armónico y la frecuencia del sistema (ya sea de 50 o 60 Hz). Por ejemplo, si la frecuencia del armónico es de 300 Hz, su relación (en países donde se utiliza 60 Hz) es: orden del armónico 300 / 60 = 5. Y los armónicos que tienen un orden mayor a 23 se pueden considerar despreciables.

Esto significa que, cuando un sistema eléctrico tiene problemas con este tipo de corrientes, principalmente se ve reflejado en un sobrecalentamiento de los conductores y en una corriente alta en el neutro o en las pantallas de tierra de conductores de media tensión subterráneos. El sobrecalentamiento de los conductores se presenta debido a que las armónicas también se comportan de igual forma que la corriente alterna, tienden a conducirse a través de la periferia del conductor (a esto se le llama Efecto Piel) y por efecto Joule, hay un sobrecalentamiento en el conductor que provoca un mayor desgaste en los accesorios y los aislamientos, disminuyendo notablemente su vida útil. Hay que considerar que las armónicas son producidas o generadas por cargas no lineales, como variadores de velocidad, convertidores AC/DC, motores de inducción, balastros de lámparas fluorescentes, sistemas de cómputo, equipos de soldadura, hornos eléctricos, ventiladores, entre otros.

Otra consecuencia de las armónicas, en caso de no controlarse, influye directa-mente en el factor de potencia. Curiosamente, si un usuario está preocupado por la calidad de la energía y colocó un banco de capacitores para mejorar el factor de potencia, pero no ha medido las armónicas, esto puede ser contraproducente, ya que los capacitores pueden aumentar la amplitud de las armónicas y producir un rompimiento en el aislamiento del capacitor, perforándolo y ocasionando daños severos. Es por ello que se recomienda hacer un análisis de la energía completa, contemplando el factor de potencia y las armónicas. Además, si hay una distorsión armónica superior a 8 %, no se recomienda conectar un banco de capacitores para la mejora del factor de potencia. En estos casos es posible que la ayuda de los capacitores sea, como pregona el dicho popular, “más caro que las albóndigas”, por lo que es imperante solucionar primero el tema de las armónicas.

Entre las alternativas para disminuir y controlar este factor, también pueden ins-talarse filtros que ayuden a limitar las variaciones de la tensión.

Proyecciones en materia de calidad de energía
Por todos los puntos que se han revisado, ahora las compañías suministradoras de energía, cada vez más, están concentradas no sólo en brindar instalaciones seguras y continuidad de la energía, sino adicionalmente en asegurar una mejor calidad de ella para que los usuarios estén convencidos de que el costo-beneficio es el adecuado y no optén por contratar el servicio de algún competidor.

De igual manera, la generación distribuida (generación de electricidad a través de medios como paneles solares, parques eólicos, etcétera), cada vez está teniendo mayor presencia en México, en el caso del sector de autoconsumo e inyección de energía sobrante a la red. Este factor ocasiona que los sistemas del suministrador de energía cuenten con medios de control más avanzados para verificar las variaciones de cargas que ocasionen fluctuaciones importantes en los parámetros del voltaje, inyección de armónicas, cambio en el factor de potencia, mayores pérdidas técnicas, entre otros.

Por ello, es recomendable hacer un estudio de la calidad de la energía tanto en una industria, comercio o casa habitación. Este análisis debe realizarse con equipos RMS de alta resolución para poder detectar y medir con exactitud los diferentes parámetros mencionados.

Cada usuario tiene su propia carga instalada, por lo que los efectos que ésta ocasiona a la red, combinada con la calidad de energía que recibe del suministrador del servicio, hace que las soluciones para contar con una calidad de energía óptima sea un traje a la medida para cada consumidor.

En conclusión, es indispensable poder contar con una energía óptima o de gran calidad, ya sea para evitar multas por parte de los suministradores de energía debido a la “contaminación” en su red (factor de potencia o presencia de armónicas) o para que las compañías suministradoras de energía la entreguen de forma confiable, ello como garantía para conservar a sus clientes. Es importante llevar a cabo un análisis de las redes a través de equipos y compañías especializadas para encontrar la mejor solución y, de esa forma, utilizar y aprovechar la energía eléctrica al máximo, minimizando pérdidas técnicas, calentamientos, reactancias y, en consecuencia, un pago excesivo por el servicio.

Razones para estudiar la calidad de la energía eléctrica
Es necesario conocer los requerimientos de calidad de las cargas actuales:

  • Pérdidas eléctricas
  • Incrementos de riesgos eléctricos
  • Reducción de los costos de operación de la red eléctrica
  • Uso racional de la energía
  • Crecimiento de la instalación
  • Operaciones erróneas de equipos y aparatos eléctricos
  • Redes obsoletas
  • Incremento de equipos electrónicos
  • Incremento de la susceptibilidad de los sistemas
  • Reducción de la vida útil de equipos y aparatos eléctricos
  • Incremento de interconexiones
  • Mejorar la protección y la confiabilidad de las cargas

Síntomas típicos atribuibles a la calidad de energía eléctrica

  • Operación errónea de los equipos
  • Equipos quemados o disminución de su vida útil esperada
  • Parpadeo en el alumbrado
  • Corrientes por conductores de tierra
  • Reinicio inesperado u oscilaciones en la pantalla de las computadoras
  • Daños asociados a transferencias red–planta
  • Sobrecalentamiento de transformadores, interruptores, motores, entre otros
  • Sobrecarga de conductores de neutro
  • Operación no deseada de protecciones
  • Ruidos audibles en interruptores
  • Fallas en UPS al hacer transferencias

Fuente: ininin.com.mx
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Eduardo Sánchez de Aparicio
Es socio-fundador y director de Relaciones Institucionales en Sigma Solutions Commerce Group, S.A. de C.V. También es director de Sigma Solutions Consulting Group y coordinador del Subcomité de Accesorios y Herrajes para Cable, IEEE Sección México; miembro del Centro de Competitividad e Innovación Caname.
Twitter: @eduardosanchezdea

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