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 utilizar para detectar corrientes de armónicos que fueran en cierta medida problemáticas en el cableado neutral en edificios industriales y comerciales, utilizando 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, a fin de cuentas podrían causar problemas en sus sistemas de distribución. Lo digo por algo que ocurrió en una pequeña empresa en Florida a mediados de los 90.

Fluke acababa de introducir su primer analizador de armónicos de potencia: el modelo 41. Un ingeniero brillante de la empresa de Florida se volvió lo que llamamos un "adoptador temprano", puesto que sospechaba que las corrientes de armónicos se retroalimentaban de alguna manera en sus sistema desde uno o varios clientes.

El problema era que el relé de fallo de la puesta a tierra de la subestación actuaba regularmente aunque los equipos no detectaban fallos en sus líneas. Cuando se midió la corriente hacia el relé usando el modelo 41, el ingeniero descubrió que la mayoría 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 armónico de Fluke para revisar la corriente neutral 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 tres fases deberían presentar una carga equilibrada hacia el sistema con poca corriente o neutra, excepto por algo llamado "triplens". El tercer armónico y sus múltiplos nones, en la corriente de cada fase, agregarán en conjunto como corriente de secuencia nula en el neutral de un sistema trifásico de cuatro alambres, aunque el sistema esté perfectamente equilibrado. En este caso, alcanzó el umbral en el circuito de disparo del relé de fallo de la puesta a 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 a dar servicio a los hogares de nuestro circuito. Hay un "poste de puesta a tierra" desde el neutral en el poste que distribuye a mi casa y otros en los postes seleccionados en la calle. En efecto, esto permite que la corriente vuelva al neutral y finalmente a la subestación para dividirse entre la resistencia del conductor neutral y una vía paralela de puesta a tierra. Entonces, la teoría dice que debería ser capaz de medir una caída 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 24,5 m aprox. (80 pies) desde un Kit de comprobación de resistencia de tierra 1625 de Fluke, junto con mi fiable multímetro, medí la tensión de CA entre dos varillas de tierra: una junto al polo con un polo de puesta a tierra, la otra a unos 24,5 m 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 polos 1,6 km más allá de una bifurcación de la estación. Aparqué cerca de la subestación en un poste con un polo 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 un rango aproximado de aprox. 9 u 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 nula "triplen" en los neutrales de retorno compartidos más grandes que el desequilibrio fundamental. De hecho, nuestro servicio público está viendo el resultado de todos los dispositivos electrónicos y de bajo consumo que producen armónicos y que nos están animando a utilizar 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 de fallo en algún momento en el futuro. Y eso nos hace pensar una cosa: ¿qué pasará si los vehículos eléctricos recargables se vuelven más populares?

El ladrón de energía nocturno

Los motores de nuestros frigoríficos y otros electrodomésticos son de naturaleza lineal, dado que son calentadores eléctricos y bombillas incandescentes. Esto significa que no producen corrientes de armónicos. Sin embargo, las nuevas bombillas fluorescentes compactas de bajo consumo, así como los diversos dispositivos electrónicos como televisores y sistemas de cine en casa, son cargas no lineales que producen armónicos. Además, muchos de ellos consumen energía aunque los hayamos apagado. Seguro que lo hacen si se pueden encender y apagar 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 ordenadores portátiles) también están encendidos siempre, por lo que no se detiene el consumo de energía ni las cargas que sean potenciales productoras de armónicos en el hogar.

Por eso, si desea ahorrarse algo de dinero y ayudar aún más a los esfuerzos de ahorro de su servicio público, plantéese desconectarlos cuando no estén en uso.

Con mucha seguridad podemos concluir que los armónicos de potencia son parte de nuestras vidas actuales. Afortunadamente, no suelen ser un problema importante para los propietarios particulares.

Si está interesado en cómo está cambiando la red eléctrica del servicio público, en parte para manejar estos dispositivos, lea nuestro informe técnico Smart Grid.