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Armnicos en SEP

Origen de las armnicas

Efecto de las armnicas

Medicin de las armnicas

Solucin al problema

SI BIEN LAS CORRIENTES Y TENSIONES EN LASREDES ELCTRICAS NUNCA HAN SIDOEXACTAMENTE SENOIDALES ,HASTA HACEUNOS AOS NO ERA FRECUENTEENCONTRARSE EN LA PRCTICA CONALGN PROBLEMA ORIGINADO POR LADEFORMACIN DE DICHAS ONDAS O LO QUEES LO MISMO, POR LA PRESENCIA DEARMNICOS .

INTRODUCCIN

2

EL RESPONSABLE PRINCIPAL DE ESTADEFORMACIN ES EL DESARROLLOESPECTACULAR DE LA ELECTRNICA ,QUE HA GENERALIZADO EL USO DERECTIFICADORES, TANTO ENAPARATOS DE POTENCIA(ACCIONAMIENTO DE CORRIENTECONTINUA , VARIADORES DEFRECUENCIA) COMO EN OTROSPEQUEOS, PERO MUY NUMEROSOS(ORDENADORES,TV)

INTRODUCCIN

Definiciones

DEFINICIN:ARMNICOS DE POTENCIA SONONDAS DE CORRIENTE O TENSIN CUYA FRECUENCIASON MULTIPLOS ENTEROS DE LA FRECUENCIAFUNDAMENTAL

Ejemplo:

Si la F= 60Hz el armnico de segundoorden tendr una frecuencia de 120Hz.El tercer armnico 180Hz etc..

3

Algunos conceptos

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Algunos conceptos

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1(onda fundamental)

3 5

7

9

Onda resultante deformada

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Onda resultante deformada

5

Onda asimetrica

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Joseph FOURIER demostr que toda funcin peridica nosenoidal puede representarse por una suma de trminossenoidales donde el primer termino es la fundamental y losotros, a la frecuencia mltiplo de la fundamental son losarmnicos.

Yo : Valor de la componente continua, generalmente nula para sistemas de distribucin.

Yn : Valor eficaz del armnico de orden n, : Pulsacin de la frecuencia fundamental,n : Desfasaje de la componente armnica n.

) tsen(n2Y)( n1

n

n

nYoty

Teora de Armnicos

6

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Adecuando para la tensin se tiene:

).(2)(1

0 nn

n tnsenuutu

).(2)(1

0 nn

n tnseniiti

para la corriente:

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Valor eficaz de una magnitud alterna no senoidal

T

0

2rms

2 dtRiT1RIP

T

0

2rms

T

0

2rms

dtvT1V

.....(a) dtiT1I

7

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Valor eficaz de una magnitud alterna senoidal

2VV

2II

2I

w

2IwI

)dt(wtcos2

w.II w2T

wwtcos dtwtcosI

T1I

senoidal corriente )cos(wt Ii Si

mrms

mrms

m2

mrms

02

0

22

mrms

w2

0

2T

0

22mrms

m

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Como es el Valor eficaz de una magnitud diferente a la alterna senoidal ??

Onda cuadrada, rectangular???

8

13/02/2015 15

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Tasa de distorsin total de armnicos(TDA) o (THD)

Define globalmente la deformacin de la magnitud alterna.

1

2

2

2

100(%)n

n

Y

YDF

THD V Vi Ni

( ( / ))

..

2 2

2 40

100%

CIGRE:Factor de distorsin total

IEC 555-1:Factor de distorsin: 0

9

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Tasa de distorsin total de armnicos(TDA) o (THD)

%1002/1

2

2

xI

ITHDH

h Ldemanda

h

Estndar IEEE-519

De la comparacin se deduce que el THD segn la NTCSE es similar al empleado por CIGRE

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Tasa individual de armnicos (An o Ih,Vh)

Esta magnitud representa larazn del valor eficaz de unarmnico (Yn), respecto al valoreficaz de la fundamental (Y1)

Espectro( de frecuencia)

Es la representacin de la amplitudde los armnicos en funcin de suorden o rango; el valor de losarmnicos se suele expresar enporcentaje de la fundamental

10

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Factor de potencia y cos

Cuando hay armnicos es importante no confundir estos dostrminos, que son iguales solamente cuando la corriente ytensin son perfectamente senoidales.

Factor de potencia Es la razn entre la potencia activa y aparente

El factor de Desfasaje (cos Se refiere a las magnitudes fundamentalesEl cos o DFP (Desplazamiento del F.P. )

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Factor de deformacin

Segn la IEC 146-1-1, es la razn entre el factor de potenciay el cos , siempre es menor o igual a uno.

Factor de cresta (Fc)

Es la razn del valor pico respecto al valor eficaz de una magnitud peridica:

11

Para una senoidal pura el FC es1.4142.

Una onda con un Fc mayor a 1.4142indica un voltaje que tiende a serpuntiagudo.

Una onda con un Fc menor a 1.4142indica un voltaje que tiende a ser decresta aplanada.

Factor de cresta

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Triangulo de potencias

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Debido a que hay cargasdenominadas no lineales que tomanla corriente en forma de impulsosbruscos en vez hacer en formasinusoidal,stos impulsos creanondas de corriente o tensindistorsionadas que retornan a la redsumndose a la onda fundamental.

ORIGEN DE LAS ARMNICAS

TIPO DE CARGAS

Cargas lineales

Cargas no lineales

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1. CARGAS LINEALES

TIPO DE CARGAS

CARGAS LINEALES

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2. CARGAS NO LINEALES

La electrnica de potencia puso adisposicin de los hogares y las empresasproductivas diversos equipos capaces decontrolar el producto final: Iluminacinvariable, velocidad ajustable, etc.. Asaproximadamente un 90% de la energaelctrica pasa por un dispositivo deelectrnica de potencia antes de seraprovechada .

2. CARGAS NO LINEALES

La electrnica de potencia hace uso dediodos , transistores, tiristores etc; estosdispositivos trabajan en el modo deinterrupcin (swtching) que significa en dosestados: CONDUCCIN Y BLOQUEO.

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Modos de operacin de las Cargas No Lineales

ESTADO DE CONDUCCIN: (interruptor cerrado), la corriente puede alcanzar valores elevados , pero la tensin es nulo y, por tanto, la disipacin de potencia es muy pequea.

ESTADO DE BLOQUEO: (interruptor abierto). La corriente es muy pequea y la tensin es muy elevado; as, la disipacin de potencia es tambin pequea en este estado.

Modos de operacin de las Cargas No Lineales

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CARGAS NO LINEALES

Tipos De Cargas No Lineales

Circuitos magnticos: Transformadores,motores.

Elementos de plasma: Lmparas de descarga,soldadura de arco, hornos de induccin.

Semiconductores : Las grandes fuentesarmnicas son los rectificadores conconmutacin natural; accionamiento decorriente continua, convertidores de frecuenciacon circuito intermedio de continua, sistemasde alimentacin permanente(UPS), etc..

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Cargas No LinealesRectificadores

hII

nph

h

1 Donde:h: orden de armnico generado

p: numero de pulsos del rectificadorn: numero entero positivo ( 1,2,3,4,5)

Ih: magnitud de la corriente armnica.

Ejemplo:

Rectificadores de dos pulsos:P=2 , h=3,5,7,9,11,13,15,17,19..

Computadoras, equipos de telecomunicacin, equipos de radiodifusin en general.

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1: Regulador de luz o de temperatura

Ejemplo del espectro de armnicos de las corrientes absorbidas por las cargas no lineales

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h B y N, Tubo B y N, Transistor COLOR puente dediodos

COLOR tiristor

3 0,53 0,32 0,73 0,825 0,31 0,25 0,59 0,667 0,13 0,15 0,43 0,349 0,055 0,08 0,27 0,1411 0,045 0,04 0,15 0,0915 0,03 0,03 0,045 0,04

Armnico De Corriente En Funcin Al Tipo De Televisor

(Amperio)

20

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21

13/02/2015 41

Cargadores de baterasLas armnicas individuales que generan el circuito en uncargador de bateras dependen del voltaje inicial en lamisma y el contenido armnico global vara de acuerdoal tiempo e involucra probabilidad aleatoria.

22

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Contenido de armnicos de la corriente de magnetizacin para el acero al silicio

23

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Cargas No Lineales

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Futuras Fuentes Armnicas

Autos elctricos que requieren de rectificacin de grandescantidades de potencia para cargar sus bateras.

El uso potencial de dispositivos de conversin directa deenerga, como bateras de almacenamiento y celdas decombustible.

Fuentes no convencionales de potencia, como viento,energa solar, celdas de combustible y bateras avanzadas.

Efecto de los Armnicosen el sistema elctrico

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Sistemas monofsicos

* La 1 armnica o fundamental ( 60 Hz ) * La componente de 3 armnica ( 180 Hz ) .

* La 1 armonica (fundamental)

3 Armonico

Sumando las dos seales sinusoidales , se llega a una semionda No sinusoidal que se representa en la fig..

Pulso

3Arm.

1Arm.

Sistemas monofsicos

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Observese que La resultante se asemeja a los pulsosproducidos por las fuentes de conmutacin .

Adjuntando otras componentes armnicas, podemos modelarcualquier semionda peridica distorsionada, como las ondascuadradas generadas por las UPS y los controladores deFrecuencia.

Los pulsos de corriente , tambin influyen en la distorsin delvoltaje,debido a las prdidas de tensin originadas por laresistencia de los conductores.

Esta distorsin de voltaje puede producir en los equipos massensibles, fallas prematuras o problemas de operacin.

Sistemas monofsicos

En un sistema trifsico :Las tensiones por fase se encuentran desfasadas en 120.

Se demuestra matemticamente que con cargastrifasicas Lineales, equilibradas en una conexin estrellala corriente por el neutro es cero.

Luego la proteccin de sobrecarga de los conductores defase , tambin proteger al conductor neutro.

I j I j I j

IR S T

1 0 0 5 0 8 6 0 5 0 8 6

0

; . . ; . .

SISTEMAS TRIFASICOS

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CA B

SISTEMAS TRIFASICOS

* Cuando aparece una componente de tercer armnico en cada una de las fases, podemos observar que esta, se encuentra en fase en cada una de las lneas.

3 Arm.

En fase

SISTEMAS TRIFASICOS

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Las corrientes armnicas se Suman en el neutro y envez de anularse, pueden originar, corrientes a travsdel neutro, de mayor magnitud a la fases.

IN

SISTEMAS TRIFASICOS

SISTEMAS TRIFASICOS * Las protecciones de sobrecarga de las fases, no

resultan ser efectivas para el neutro. * Estas corrientes armnicas producirn disipacin de

calor a travs de los conductores neutros.

* Incrementaran las prdidas de energa , cadas detensin y sobrecargas en los equipos de potencias(Tableros, Protecciones, Transformadores, etc..)

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DISTORSIN EN LA FORMA DELA SEAL DE TENSIN

* Efecto de la cada de tensin, sobre V Carga

CONSUMO LINEAL

Se asume un 10%de cada de tensin en los conductores de la instalacin

Sin Armnicas de 3 y 5 orden, presentes en la seal de corriente.

CONSUMO LINEAL

V F

V C

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DISTORSIN EN LA FORMA DELA SEAL DE TENSIN

* Efecto de la cada de tensin, sobre V Carga

COSUMO NO LINEAL Se asume un 10% de cada de tensin en los

conductores de la instalacin

Consumo No lineal

Armnicas de 3 y 5 orden, presentes en la seal de corriente.

CONSUMO NO LINEAL

VF

VC

31

* Efecto de la cada de tensin , sobre V Carga

COSUMO NO LINEAL

Se asume un 2% de cada de tensin en los conductores de la instalacin

Consumo No lineal

Armnicas de 3 y 5 orden, presentes en la seal de corriente.

DISTORSIN EN LA FORMA DELA SEAL DE TENSIN

CONSUMO NO LINEAL

VF

VC

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CLASIFICACIN DE LOS ARMONICOS

En conclusin TIENEN:Nombre,Frecuencia y secuencia

NOMBRE F 2 3 4 5 6 7 8 9FRECUENCIA 60 120 180 240 300 360 420 480 540SECUENCIA + - 0 + - 0 + - 0

*Los Armnicos desaparecen cuando son simtricos

Secuencia Rotacin Efecto En Motores Efectos En El SistemaPositiva Directa(RST) Crea un CM de rot directa CalentamientoNegativa Inversa(RTS) Crea un CM de rot. Inversa CalentamientoCero Ninguna Ninguno Calentamiento

Crea una corriente en el neutro (TRIPLENS)

Efecto de los armnicos en la instalacin elctrica

Las instalaciones elctricas industriales se ven afectados por las corrientes y tensiones

armnicas as como existe influencia en equipos de medicin control y proteccin.

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Efecto de los armnicos en la instalacin elctrica

Efecto de los armnicos en la instalacin elctrica

Efecto en motores :

Funcionamiento irregular enMquinas Elctricasincrementndose las prdidas porcalentamiento en el ncleo(histresis y corrientes parsitas).

Bajo torque de partida, enMotores de gran potencia.

El flujo de las corrientesarmnicas de secuencia negativa:5th,11th etc, producen frenado enlos motores AC creando vibracine inestabilidad mecnica.

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Efecto de los armnicos en la instalacin elctrica

Efecto en grupos electrgenos :

Los generadores al serdimensionados para la cargason muy susceptibles decalentamientos por lapresencia de armnicos porlo que debensobredimensionados.

Efecto en tableros

stos son diseados parala frecuencia fundamental, ypueden presentarresonancia mecnicadebido a camposmagnticos producidos porlas corrientes armnicas.

y empieza a vibrar afrecuencias superiores ,frecuencia de losarmnicos.

Efecto en conductores

Las corrientes armnicas producen perdidas en los conductores debido a:

Perdidas por efecto joule. Perdidas por efecto pelicular. Perdidas por efecto de proximidadentre cables, debido alas corrientes parsitas entrecables prximos entre si.

Efecto de los armnicos

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Sin Armnicos la corriente por el neutro es aproximadamente igual a cero.Con Armnicos,en redes de cuatro hilos en el neutro se suman los Armnicos TRIPLENSEl neutro al no tener proteccin por sobre corriente puede originar incendio.La CBEMA recomienda que el neutro sea el doble de seccin de los conductores de fase, para alimentadores de cargas no lineales.

ARMNICOS TRIPLENS: Extraos mltiplos impares de la tercera Armnica.( 9,15,21 etc.. )

Efecto de los armnicosEfecto en conductores

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Densidad de corriente de un mismo conductor

Efectos en cables y conductores

ReRe

sistencia ACsistencia DCTamao del conductor 60 Hz 300 Hz

300 MCM 1.01 1.21

450 MCM 1.02 1.35

600 MCM 1.03 1.50

750 MCM 1.04 1.60

Aparatos de iluminacinLas lmparas incandescentes son unos de los dispositivos de este grupo de carga muy sensibles a los efectos del incremento de temperatura. Una ecuacin relativa para evaluar la vida de la lmpara es:

donde:L vida de la lmpara en p.u.V1 voltaje fundamental en p.u.V voltaje rms en pun su valor significativo es 13

LV V VDF

nn

1 111

2 22

( ( ) )

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Propagacin de armnicas

A pesar de que la compaa suministradora proporcione un voltajepuramente senoidal (sin distorsin alguna), la alimentacin de sistemasque contienen cargas no lineales o inyectan corrientes no senoidales,produce una propagacin de las armnicas hacia toda la red delsistema si no se mitigan dentro del sistema que los genera.

Los elementos trmicos queestn diseados para sobrecargaactan debido al incremento de lacorriente armnica.

Los interruptores electrnicosdetectores de picos reaccionanante los picos de la onda decorriente armnica.

Efecto en interruptores automticos

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Las corrientes armnicas causaninterferencia en equipostelefnicos, por estar las armnicascercanas a las frecuencias detelefona.

Efecto en telecomunicaciones

Interferencia sobre lneas de comunicacin

Los efectos de este tipo de interferencia son: Ruido inducido Interferencia con seales de comunicacin Mal funcionamiento de rels

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Efecto en equipos de medicin

Las lecturas errneas de los contadoresde energa calibrados para potenciasenoidal pura En contadores de induccin presentanmayor consumo, por ejemplo un contadorclase 2 dar un error suplementario de0,3% con una tasa del 5% para el 5toarmnico de I y U.

Efecto en aparatos de medicin

Los medidores e instrumentos son afectados por la presenciade voltajes y corrientes armnicas. Aparatos de disco deinduccin, tales como wattormetros y relevadores desobrecorriente son diseados y calibrados solamente para lacorriente y el voltaje fundamental.

La presencia de corrientes y voltajes armnicas generan un parelectromagntico adicional en el disco causando operacioneserrneas. La distorsin debe ser severa (mayor del 20%) paraque se detectan errores importantes.

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Efecto en transformadores

Los transformadores estndares estndiseados para operar a frecuencia 60HZ. Por lo que no trabajan en lapresencia de armnicos.Las terceras armnicas crean perdidasen el hierro del ncleo, debido a lascorrientes parsitas y causan saturacindel ncleo.Todo ello conlleva a temperaturas altas,degradacin del aislamiento ydisminucin de la vida util.Por lo que es necesario ante lapresencia de armnicos descalificarlo.

Se refleja la corriente Armnica TRIPLENS en el primario del transformador y origina calentamiento en el ncleo.

PRIMARIO 10kV SECUNDARIO 220 V

IRIS

IN

IT

IN

Efecto en transformadores

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Efectos trmicos

Transformador normal

Cargados al 100 %Con armnicas

Transformador especial para armnicas

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Factor K para transformadores

Este factor K se define como aquel valornumrico que representa losposibles efectos de calentamiento de unacarga no lineal sobre el transformador.

La potencia asignada del transformadorque se use debe ser igual o mayor que lapotencia equivalente. En el caso en que untransformador en servicio se desee cargarposteriormente con corrientes armnicasun factor reductor de 1/K debe seraplicado a la potencia asignada.

Ejemplo de clculo Factor K para transformadores

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Tarea para clase

13/02/2015 85

Las siguientes lecturas es el resultado de la medicin en el secundario de un transformador cuya potencia de placa es de 200MVA y 220/60 kV, determinar la potencia disponible del transformador.

Efecto en capacitores

Se origina incremento de lacorriente en los capacitores por lapresencia de armnicos , debido aque la corriente y la frecuencia en uncondensador son directamenteproporcionales.Estas corrientes altas destruyenfusibles, interruptores y al mismocapacitor y errneamente los fusiblesson reemplazados por uno de mayorcapacidad, sin revisar el problema defondo.

CfX

CfUXUI

c

cc

...21

...2.

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Efecto en capacitores

La presencia de distorsin de laonda de tensin, origina perdidasadicionales en los condensadores

n. armonica tensin la de eficaz valor 2W

perdidas defactor el es tan

.tan.perdidas

n

12

n

n

n nn

Vf

WRC

VWC

Efecto en capacitores

La potencia reactiva de diseoincluyendo la fundamental y la de losarmnicos no debe exceder lapotencia reactiva nominal, se calculasegn:

1n nQQ

45

Efecto en capacitores

La existencia de resonanciaserie o paralelo, pueden causarsobre tensiones y sobreintensidades que aumentaconsiderablemente las perdidasy sobrecalentamiento de loscondensadores.

En el diseo del condensadorhay que tener en cuenta toda lasposibilidades de resonancia enla red.

Z

Z

Zth

UthZinst Xc

redores

co

cc

fhfSbSh

0

Efecto en capacitores

Los condensadores se fabrican de acuerdoa normas que limitan la sobre intensidadlos valores tpicos son:

1. 15% en el Reino Unido.2. 30% en Europa.3. 80% en USA.

En muchas ocasiones se ha observadofallos de condensadores que trabajanpor encima de estos valores.

46

Flujo normal de corriente a frecuencia fundamental

13/02/2015 92

Flujo normal de corriente a frecuencia armnica

47

Flujo normal de corriente a frecuencia armnica

Condicin de resonancia paralelo

48

13/02/2015 95

Sec. do trafo BancoCapacitivo

OutrasCargas

0,25 I h.

0,75 IhPCC .

I : fonteh.

decorrente

Resultado del banco de capacitores en la resonancia serie

49

Capacitores y efectos de las resonancias

Caracterstica tpica de un sistema de distribucin

50

Instalacin elctrica tpica de utilizacin

Corriente de quinta armnica fluyendo en la red de transmisin

51

1

2 3 4

5

6

7 8

9

10

11

345 KV

0.07 -161.7 0.07 -161.7

4.56 -22.6

5.25 21.01 2.92 125.5 4.25 -29.9

10 AMP INYECCIN A CERO GRADOS

230 KV

3.91 173.1 3.91 -6.9

2.91 -47 8.45 153.7

8.71 153.4

5.11 -21.4 1.68 126.1 1.68 -53.9 4.82 162.1 4.82 -18

5.36 -21.8 3.60 -2.0

Flujo de Corriente de Quinto Armnico en una Red de Transmisin debido a la Inyeccin de 10 A en la Barra 7

Efecto en equipos de Proteccin

Los armnicos pueden afectar elfuncionamiento de los relees deproteccin, dependiendo de su diseo yprincipio de funcionamiento. Lapresencia de armnicos afecta,especialmente, a sistemas de proteccindigitales basados en muestreo deinformacin y en los cruces por cero delas seales de tensin o corriente.

EC

REL 561

TX

52

Efecto en equipos de Proteccin

En la actualidad no existen normas conindicacin de los niveles de armnicosque deben soportar los relees, fusibles ydisyuntores.

La respuesta de relees a sealesdistorsionadas varia, incluso, entreunidades de idnticas caractersticasnominales de distintos fabricantes o dedistintos lotes de fabricacin.