Bajadas de tensión

Las depresiones de la tensión se producen habitualmente por una reducción deliberada de la tensión por parte del proveedor, con el fin de reducir la carga en un momento de máxima demanda, o por un suministro inusualmente débil en relación con la carga. Contar con elementos que protejan a los equipos contra los daños que causan debe considerarse en cualquier sitio.

La probabilidad de que se produzcan bajadas de tensión y su magnitud previsible depende de la topología de la red.

Por David Chapman.

Entre los equipos que se ven afectados por las bajadas de tensión, los motores eléctricos dotados de reguladores de velocidad son particularmente sensibles, porque la carga sigue solicitando energía que ya no está disponible, excepto la derivada de la inercia del motor. En los procesos donde no funcionan varios motores simultáneamente, los elementos de control de cada uno de ellos pueden detectar pérdida de tensión y desconectar la unidad correspondiente con un valor de tensión distinto del de actuación de los controladores de los demás motores, los cuales presentan un régimen de desaceleración también diferente, lo que provocará una pérdida total del control del proceso. Los equipos de proceso de datos y de control son muy sensibles a las bajadas de tensión, ya que pueden provocar pérdidas de datos y un tiempo considerable de parada por avería. Las implicaciones financieras pueden resultar muy graves.

Las dos principales causas de las bajadas de tensión son la puesta en servicio de grandes cargas, bien sea en la instalación del propio usuario afectado o en la de otro utilizador conectado al mismo circuito, y los fallos en otras partes de la red.

Bajadas de tensión por grandes cargas
Cuando se conectan cargas muy grandes a la instalación, como motores eléctricos de gran potencia, la corriente de arranque puede ser muy superior a la corriente normal de funcionamiento. Si la fuente de alimentación y el cableado de la instalación están dimensionados para la corriente de funcionamiento normal, la elevada corriente inicial provocará una caída de tensión, tanto en la red de suministro como en la instalación.

La magnitud del efecto producido depende de lo robusta que sea la red; es decir, de lo baja que sea la impedancia en el punto de acoplamiento común (PCC) y de la impedancia del cableado de la instalación. Las bajadas de tensión producidas por las corrientes de arranque se caracterizan por ser menos profundas y de una duración mucho mayor que las provocadas por fallos de la red, normalmente de uno o varios segundos o decenas de segundos, en lugar de durar menos de un segundo.

Los problemas de la propia instalación, derivados de una resistencia demasiado alta en el cableado interno, son fáciles de resolver. Las grandes cargas deben conectarse directamente a la fuente de suministro de la tensión adecuada, bien al PCC o en el secundario del transformador de alimentación. Si el problema lo ha provocado la impedancia del PCC, es decir, si la fuente de suministro es demasiado débil, entonces será preciso tomar otras medidas.

Una solución, si es posible aplicarla en el equipo en cuestión, podría ser la instalación de un dispositivo de puesta en marcha regulado, de forma que la corriente de arranque quede limitada a un valor más bajo, a expensas de que dicha corriente de arranque se mantenga durante un tiempo bastante más largo. Otra solución sería pactar con la compañía suministradora la instalación de una acometida de impedancia más baja, lo que puede ser muy costoso, según la geografía de la red de distribución en la zona. Si no se puede controlar la causa de las bajadas de tensión, será necesario colocar un equipo para compensarlas. Los tipos adecuados pueden ser tanto tradicionales estabilizadores mecánicos servo-controlados, como cambiadores de toma controlados electrónicamente, y los restauradores dinámicos de tensión.

Figura 1. Causa de las bajadas de tensión

Bajadas de tensión por fallos en la red
Una red de distribución de energía eléctrica es muy compleja. La magnitud de una bajada de tensión en un punto determinado, debida a un fallo en otra parte de la red, depende de la topología de ésta y de las impedancias relativas del lugar donde se produjo el fallo, de la carga y de los generadores en sus puntos de acoplamiento (ver Figura 1).

Un fallo en la posición F3 de la Figura 1 provoca una bajada de tensión de 0 por ciento en la carga 3, de 64 por ciento en la carga 2 y de 98 por ciento en la carga 1. Un fallo en F1 afectará a todos los usuarios con una bajada de 0 por ciento en la carga 1 y de 50 por ciento en todas las demás cargas. Obsérvese que un fallo en el nivel 1 afecta a muchos más usuarios y con mayor gravedad, que un fallo en el nivel 3. Las cargas conectadas al nivel 3 probablemente sufrirán muchas más bajadas de tensión que una carga conectada al nivel 1, porque en ese nivel hay más puntos de fallo potenciales, que están afectados por los fallos en el nivel 1 y en el nivel 2. Las cargas de los niveles 1 y 2 son progresivamente menos sensibles a los fallos en el nivel 3. Cuanto más próxima esté la carga de la fuente, menos frecuentes y menos graves serán las bajadas de tensión.

Figura 2. Curva CBEMA

La duración de una bajada de tensión depende del tiempo que tardan los circuitos de protección en detectar y aislar un fallo, el cual es normalmente de unas pocas décimas de segundo. Cuando los fallos son transitorios (por ejemplo, aquéllos que se producen cuando la rama de un árbol cae sobre una línea aérea desnuda) pueden resolverse con mucha rapidez. Si el circuito queda desconectado permanentemente por los equipos de protección, todos los usuarios conectados a dicho circuito sufrirán un apagón hasta que la línea se haya verificado y vuelto a conectar.

Los interruptores de reconexión automática pueden facilitar la situación, pero también pueden provocar un aumento en el número de bajadas de tensión. Un interruptor de reconexión automática intentará volver a conectar el circuito en un tiempo muy corto (inferior a 1 segundo) desde el momento del disparo del equipo de protección.

Figura 3. Curva ITIC

Si el defecto ya ha sido eliminado, la reconexión automática se llevará a cabo con éxito y quedará restaurado el suministro de energía. Las cargas del circuito afectado experimentarán una pérdida de tensión de 100 por ciento entre la desconexión y la reconexión automática, mientras que otras cargas experimentarán menores bajadas de tensión y de menos duración entre el momento en que se produjo el fallo y su aislamiento.

Si el fallo no se ha eliminado, cuando el disyuntor de reconexión automática restablece la conexión, el equipo de protección vuelve a actuar. El proceso puede repetirse de acuerdo con el programa que se haya establecido para aquel particular disyuntor de reconexión automático. Cada vez que el disyuntor vuelve a conectar la línea de la que no se ha eliminado el defecto, se produce otra pérdida de tensión, de manera que otros usuarios pueden sufrir una serie de bajadas de tensión consecutivas.

Figura 4. Curva ANSI

En algunos países, una parte de la evaluación de la calidad del suministro de la energía de los mercados no regulados se cuantifica con base en la media de los “minutos perdidos por el usuario”, según los cortes de suministro cuya duración excede un minuto. El propósito de optimizar esta estadística ha conducido a la utilización generalizada de los interruptores de reconexión automática y a un incremento en la probabilidad de que se produzcan cortas y repetidas bajadas de tensión. En otras palabras, se ha conseguido la máxima disponibilidad a largo plazo a expensas de la calidad del servicio.

Características de las bajadas de tensión en el suministro
Como se ha indicado, la probabilidad de que se produzcan bajadas de tensión y su magnitud previsible depende de la topología de la red en las proximidades del emplazamiento. En algunos países se han efectuado algunos estudios limitados a zonas relativamente pequeñas, pero puede afirmarse con certeza que aún no existen estadísticas fiables de bajadas de tensión para localizaciones concretas. Esto dificulta la selección de un emplazamiento para una instalación de funcionamiento crítico.

Evidentemente, un emplazamiento próximo a una estación generadora o dos, y conectado en media tensión por medio de un cable subterráneo será una opción más segura que un emplazamiento alejado con una larga conexión a través de un tendido aéreo expuesto a distintas agresiones; pero, ¿hasta qué punto?

Es sencillo juzgar, por ejemplo, la calidad de los enlaces de transporte, y este factor se suele citar como razón para seleccionar una determinada ubicación para una industria, pero es bastante más difícil juzgar la calidad de la infraestructura eléctrica.

Los emplazamientos situados fuera de las zonas urbanas presentan problemas especiales, ya que no existen otras instalaciones que puedan servir de referencia. Por otro lado, representan una oportunidad para empezar desde el principio con una infraestructura adecuada, siempre y cuando la compañía suministradora local esté dispuesta y pueda proporcionarla con sus recursos.

Figura 6. Curva característica de una bajada de tensión en la red y curva ITIC

Los estudios realizados muestran que la duración de las bajadas de tensión en la red de suministro es bastante mayor de lo que sugieren las curvas de tolerancia de los equipos de los que se ha hablado. La figura 6 muestra la duración y magnitud probable de las bajadas de tensión de una red de suministro típica. También se traza la curva ITIC a modo de comparación.

Esta figura muestra con claridad que, en el mundo real, los equipos informáticos necesitan ser 100 veces mejores que lo que indica la curva ITIC, como muestra la curva “tolerancia requerida”. Probablemente sea correcto afirmar que ningún equipo de serie satisface este requisito.

Figura 5. Costo de la mejora en la tolerancia a las bajadas de tensión

Resolución del problema
En el ámbito empresarial, el equipo usado debe estar adaptado a los defectos normales característicos de la red de suministro eléctrico, y éste no es el caso en equipos de catálogo. Como se muestra en la Figura 5, el costo de la adaptación resulta mucho menor si las acciones correctivas se realizan en la fase de diseño de los equipos, pero esto requiere conocer previamente la naturaleza de los defectos y la probabilidad de que se produzcan. Este conocimiento es el que falta; sin embargo, es la manera más eficaz de ajustar los costos.

Algunos fabricantes de equipos ya están empezando a reconocer el problema, pero la competitividad del mercado hace que sólo respondan a las exigencias de los clientes. Hasta que los usuarios entiendan los problemas y se den cuenta de que los proveedores de equipos pueden darles una solución, no exigirán estas mejoras en su rendimiento. La excepción es el mercado de los reguladores de velocidad variable, en el que los fabricantes están promocionando activamente productos con mejor capacidad de adaptación a las bajadas de tensión.

La solución tradicional consiste en instalar equipos adicionales que mantengan la carga durante las bajadas de tensión. En el caso de cargas de baja potencia, como equipos informáticos, se han utilizado unidades de alimentación ininterrumpida (SAI o UPS) para dar protección contra las bajadas de tensión y las interrupciones en el suministro de corta duración. Los dispositivos para almacenar energía están constituidos normalmente por baterías recargables, por lo que no son adecuados para interrupciones largas. En general, se mantiene la carga alimentada únicamente el tiempo necesario para llevar a cabo una desconexión ordenada que permita proteger los datos, pero este procedimiento requiere de un tiempo de reinicio considerable. En ocasiones, se emplea una UPS para proporcionar energía mientras se arranca un generador rotatorio.

Para las bajadas de tensión poco profundas, en las que la tensión residual es considerable, existen diversas tecnologías de reguladores automáticos de tensión, entre los que se encuentran dispositivos electromecánicos y electromagnéticos. Como no es necesario el almacenamiento de energía, estos dispositivos pueden emplearse para eventos de larga duración, como disminuciones y aumentos de tensión.

Cuando se trata de grandes cargas y de bajadas de tensión profundas, se utiliza un restablecedor de tensión dinámico (DVR, por sus siglas en inglés). Este dispositivo se acopla en serie a la carga y genera la parte de la alimentación desaparecida. En caso de que la tensión caiga al 70 por ciento, el DVR facilita el 30 por ciento faltante. Normalmente, los DVR mantienen la alimentación de la carga durante un periodo corto y pueden basarse en la utilización de grandes baterías de acumuladores, supercondensadores y otras formas de almacenamiento de energía, como volantes de inercia de alta velocidad. Los DVR no pueden utilizarse para corregir disminuciones o aumentos de tensión de larga duración.
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Con información de Leonardo Power Quality Initiative