Se trata de los armónicos

06-20-2013 | Investigación

Por Chuck Newcombe

Mi primera columna en Fluke News Plus era acerca de los trucos que uno podría usar para detectar corrientes armónicas que fueran en cierta medida problemáticas en el cableado del neutro en edificios industriales y comerciales, usando solo un multímetro.

Grandes instrumentos

Ahora se me ocurre que mientras que los servicios públicos exigen capacidad mediante la promoción de la conservación de energía, los diversos dispositivos electrónicos de ahorro de energía que promueven, al final de cuentas, podrían causar problemas para sus sistemas de distribución. Lo digo debido a algo que ocurrió en una pequeña empresa en Florida a mediados de los 90.

Fluke recién había introducido su primer analizador de armónicos de la alimentación eléctrica: el modelo 41. Un ingeniero brillante para la empresa de Florida, se volvió lo que llamamos un “adoptador temprano”, puesto que sospechaba que las corrientes armónicas se retroalimentaban de alguna manera en sus sistema desde uno o varios clientes.

El problema era que el relé de falla de tierra de la subestación actuaba regularmente aunque los equipos no detectaban fallas en sus líneas. Cuando se midió la corriente hacia el relé usando el modelo 41, el ingeniero descubrió que la mayor parte de la corriente que causaba problema tenía una frecuencia de 180 Hz, el tercer armónico de la distribución de 60 Hz.

El ingeniero instituyó un programa de ensayo para sus trabajadores de líneas externas usando el analizador de armónicos de Fluke para revisar la corriente del neutro en las alimentaciones trifásicas de sus principales clientes. El problema no resultó ser su cliente más grande, un fabricante de helado, sino un campo de golf. Así es: un campo de golf. Investigaciones posteriores determinaron que el problema eran todos los cargadores monofásicos de batería de los carros de golf que usaban energía en pulsos a causa de los rectificadores de los cargadores. A estas las llamamos "cargas no lineales".

En teoría, los rectificadores distribuidos uniformemente en las tres fases deberían presentar una carga equilibrada hacia el sistema con poca o ninguna corriente del neutro, excepto por algo llamado "Triplens" (múltiplos impares del tercer armónico). El tercer armónico y sus múltiplos impares, en la corriente de cada fase, se sumarán como corrientes de secuencia cero en el neutro de un sistema trifásico de cuatro cables, aún si el sistema está perfectamente equilibrado. En este caso, alcanzó el umbral en el circuito de disparo del relé de falla de tierra.

Un circuito de distribución típico de servicios públicos de subestaciones para los clientes

La línea aérea que pasa frente a mi casa es monofásica; es decir, solo una de las tres fases del bulevar cercano está destinada para dar servicio a los hogares de nuestro circuito. Hay un "poste de puesta a tierra" del neutro en el poste que alimenta a mi hogar y otros en algunos postes de la calle. En efecto, esto permite que la corriente vuelva al neutro y finalmente a la subestación para dividirse entre la resistencia del conductor neutro y una vía paralela de puesta a tierra. Entonces, la teoría dice que debería poder medir una baja de tensión debido a la resistencia de la tierra entre los polos enterrados en la tierra debajo de las líneas.

Lo puse a prueba. Usando los polos de puesta a tierra y un rollo de alambre de 24 m (80 pies) desde un kit de ensayo de puesta a tierra Fluke 1625, junto con mi confiable multímetro, medí la tensión de CA entre dos varillas de puesta a tierra: una junto al poste con un poste de puesta a tierra, el otro a 24 m (80 pies) de distancia bajo la línea. Leí cerca de 56 mV y la frecuencia fue la esperada: 60 Hz. No hay nada particularmente relevante acerca de ello.

La parte interesante de la historia, vino de mi siguiente ensayo.

Sobre el bulevar, aproximadamente a 1.6 km (una milla) de distancia de nuestra casa, nuestra alimentación trifásica hacia al oeste se une a una alimentación similar al este, dado que comparten postes una milla más allá de una bifurcación de la estación. Me estacioné cerca de la subestación en un poste con un poste de puesta a tierra y preparé mi ensayo. Solo entonces estuve debajo de dos circuitos trifásicos que finalmente brindaban servicio a los clientes de los vecindarios en una tramo de 9.5 a 11 km (seis o siete millas).

La tensión que leí, ahora era considerablemente superior: 675 mV. Además, la frecuencia no era de 60 Hz, sino la de 180 Hz que mencioné anteriormente. La razón es que los circuitos trifásicos de distribución están experimentando corrientes de secuencia cero de "triplen" en los neutros de retorno compartidos más grandes que el desequilibrio fundamental. De hecho, nuestro servicio público está viendo el resultado de todos los electrónicos y dispositivos ahorradores de energía que producen armónicos y que nos están motivando a usar para ahorrar energía.

¿Es un problema para el servicio público? Probablemente no, a menos que se encuentren en la situación que experimentó el ingeniero de Florida hace muchos años. En tal caso, tal vez necesiten reajustar sus corrientes de disparo por falla en algún momento en el futuro. Y eso nos hace pensar una cosa: ¿qué pasará cuando los autos eléctricos recargables se vuelvan más populares?

El ladrón de energía por las noches

Los motores de nuestros refrigeradores y otros electrodomésticos son de naturaleza lineal, dado que son calentadores eléctricos y bombillas incandescentes. Esto significa que no producen corrientes armónicas. En cambio, las nuevas bombillas fluorescentes compactas ahorradoras de energía, así como los varios dispositivos electrónicos como televisores y sistemas de teatro en casa, son cargas no lineales que producen armónicos. Además, muchos de ellos consumen energía aunque los hayamos apagado. Es una apuesta segura si usted puede encenderlo y apagarlo desde un control remoto: parte del circuito debe estar encendido en todo momento para recibir las instrucciones.

Los pequeños ‘enchufes de pared' (los transformadores de suministro de energía para consolas de videojuegos y computadoras portátiles) también están encendidos siempre, por lo que no hay reducción de consumo de energía ni cargas que sean potenciales productoras de armónicos en el hogar promedio.

Así, si desea economizar algunos dólares y ayudar aún más los esfuerzos de ahorro de su servicio público, considere desconectarlos cuando no estén en uso.

Con mucha seguridad podemos concluir que los armónicos de la alimentación eléctrica ahora son parte de nuestras vidas. Afortunadamente, no es probable que sean un problema mayor para los propietarios de viviendas.

Quienes estén interesados en cómo está cambiando la red eléctrica del servicio público, en parte para manejar estos dispositivos, pueden leer nuestro informe técnico Smart Grid.