domingo, 5 de julio de 2015

Efectos de los armónicos en cables de potencia


Los cables por los que circula corriente alterna se ven sometidos, a causa del campo magnético creado por la propia corriente a una disminución de su capacidad de transportar corriente debido a que esta tiende a circular por la periferia del conductor.  Este fenómeno se conoce con el nombre de efecto pelicular o efecto “skin”. Si este conductor está cerca de otros conductores la corriente tiende a circular por una zona de la periferia, es el llamado efecto proximidad.

Estos dos efectos llevan a un aumento de la resistencia efectiva del cable y a una disminución de la sección efectiva del mismo. La importancia de estos fenómenos es baja a frecuencias pequeñas y aumenta a medida que la frecuencia es más elevada. Este aumento de la resistencia con la frecuencia se suma al aumento de la reactancia lo que hace que las caídas de tensión sean proporcionalmente mayores cuanto más elevado es el orden de armónicos.  De aquí se desprende que el incremento de resistencia que ofrece un conductor al paso de la corriente alterna y, por consiguiente, su calentamiento, es proporcional al cuadrado de la frecuencia de dicha corriente.

Este incremento del calentamiento en los conductores representa un riesgo de incendio en lugares no previsibles de la instalación donde, circunstancialmente, se encuentran puntos en los que la disipación del calor generado en los cables no sea todo lo eficaz que sería deseable.

Todo esto se traduce, en el mejor de los casos, en un elevado consumo de energía eléctrica y un mayor riesgo de averías, lo que incrementa notablemente el costo del funcionamiento general de la instalación debido a los armónicos y por supuesto, su mantenimiento.

Por tanto, una precaución elemental será no mostrarse excesivamente conservadores en el dimensionado de la sección de los conductores, en particular la sección del neutro, y cuando en una instalación se prevea la posibilidad de la presencia de una elevada tasa de distorsión armónica, o una vez terminada la instalación, las mediciones efectuadas sobre ésta la pongan en evidencia, verificar si no sería más rentable la utilización de filtros activos o pasivos en los elementos generadores de estos armónicos o en los puntos de concentración de los mismos que neutralizaran los armónicos generados y en consecuencia las pérdidas.

CALENTAMIENTO DE LOS CABLES

Aunque, en general, las secciones de los cables se suelen proyectar y construir con cierta generosidad, puede darse el caso de encontrar instalaciones en las que existan elementos de protección de intensidad superior a la que puede soportar el cable en el modo de instalación definido.

Como sabemos, debe de existir una relación entre la intensidad de servicio requerida por el receptor, la de funcionamiento del dispositivo de protección y la máxima intensidad permanente que puede transportar la canalización que alimenta dicho receptor, de tal manera que el citado dispositivo de protección (fusible o interruptor automático) actúe protegiendo la canalización contra cualquier sobrecarga.

Esta situación no suele presentarse en instalaciones nuevas, pero puede presentarse en instalaciones antiguas en las que se ha aumentado la potencia y naturaleza de los receptores, y se han modificado los interruptores automáticos porque disparaban intempestivamente, pero sin cambiar la sección de los cables, sin considerar la mayor potencia instalada y la eventual presencia de armónicos generados por equipos modernos con componentes electrónicos.

Un caso parecido se presenta cuando, como consecuencia de posteriores ampliaciones, se ha ido conectando receptores monofásicos en alguna de las fases, sin tener en cuenta el mantenimiento de un adecuado equilibrio de cargas, dando lugar a sobrecargas excesivas en el neutro, lo que también puede provocar disparos intempestivos de las protecciones y un excesivo calentamiento de los cables.

SECCIÓN DE LOS CONDUCTORES

Uno de los efectos más importantes de las corrientes armónicas es el incremento del valor de la corriente que puede circular en una instalación trifásica.

EJEMPLO:

Intensidad del armónico fundamental:           225 A                         
Intensidad del tercer armónico:                     183 A             81,3%
Intensidad del quinto armónico:                    152 A              67,6%
Intensidad del séptimo armónico:                 118 A              52,4%

La corriente Ieff que circula por cada conductor de fase será la suma geométrica de cada armónico:


Esto es, 1,55 veces la intensidad fundamental

La corriente que circula por el neutro es igual a la suma aritmética (por estar en fase los armónicos homopolares) de las intensidades de los armónicos de tercer orden que circulan por cada fase, es decir:

                                                      3 x 183 = 549 A

Esto es, 2,44 veces la intensidad fundamental

Una intensidad de servicio de 225 A sin armónicos, implica tres conductores activos (instalación al aire) de 70 mm2 con neutro de 35 mm2 del tipo AFUMEX 1000 (RZ1-R).

Los valores de las corrientes armónicas del ejemplo obligan a utilizar secciones de:
-          150 mm2 para los conductores de fase (I = 385 A)
-           300 mm2 para el conductor neutro ( I = 615 A)

SOBREDIMENSIONADO DE LOS CABLES

Por todo lo indicado, la circulación de corrientes armónicas puede exigir un sobredimensionamiento de los cables pue, además del sobredimensionamiento requerido por la mayor intensidad global que recorre el cable, hay que tener en cuenta el aumento de la resistencia óhmica debido a las pérdidas por corrientes de Foucault ocasionadas por la variación del flujo magnético, lo que provoca la circulación de una corriente adicional cuya intensidad es proporcional a la frecuencia de las corrientes armónicas. 

No se ha citado el problema añadido de las pérdidas en las armaduras metálicas de hierro de los cables dotados de esta protección mecánica, estudiadas con detalle en la norma UNE 21.144. Por tanto, como primera medida de precaución general, es aconsejable adoptar la sección inmediatamente superior a la que se deduce de la simple inspección de las tablas de carga a partir de la intensidad calculada en base a la potencia requerida por los receptores alimentados por la canalización estudiada.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

Ángel Alberto Pérez Miguel, Nicolás Bravo de Medina, Manuel LLorente Antón: "La amenaza de los armónicos y sus soluciones"

Norma UNE 21144-1-2:1997: Cables eléctricos. Cálculo de la intensidad admisible. Parte 1: Ecuaciones de intensidad admisible (factor de carga 100%) y cálculo de pérdidas. Sección 2: Factores de pérdidas por corrientes de Foulcault en las cubiertas en el caso de dos circuitos en capas.


Archivo en pdf disponible en la siguiente URL:




No hay comentarios:

Publicar un comentario