Qualitat de l'Energia Elèctrica: Anàlisi de Pertorbacions i Harmònics

Introducció a la Qualitat de l'Energia Elèctrica

En els darrers anys, ha augmentat la preocupació per la qualitat de l'energia elèctrica, especialment en relació amb la forma de l'ona de tensió. Aquesta qualitat pot veure's alterada durant la producció, transport, distribució o per l'ús d'equips que generen pertorbacions. Aquesta preocupació ve per dues raons principals:

• Els processos industrials necessiten electricitat de qualitat, perquè són cada cop més sensibles a qualsevol alteració.
• L'ús creixent d'equips electrònics que contaminen la xarxa provoca problemes en el funcionament d'altres aparells connectats.

Per fer-hi front, les parts implicades actuen de la següent manera:

• Les empreses elèctriques intenten reduir els efectes de les pertorbacions i assessoren els clients.
• Els fabricants dissenyen equips que no afectin negativament la xarxa.
• Els usuaris han d'adaptar les seves instal·lacions a les condicions de la xarxa i protegir els seus equips.
• L'Administració pública regula legalment les relacions entre totes les parts implicades.

Les Pertorbacions Elèctriques: Definició i Efectes

Les pertorbacions elèctriques són anomalies que alteren el correcte funcionament del subministrament elèctric. Poden afectar la tensió, el corrent o la freqüència i tenir efectes com:

• Funcionament incorrecte o avaries en els equips.
• Danys als aparells.
• Talls de subministrament o problemes de qualitat en el servei.

Característiques de les Pertorbacions

Es classifiquen segons la magnitud (intensitat) i la durada (des de microsegons fins a hores). Generen un subministrament fora dels límits normals.

Símptomes de Mala Qualitat Elèctrica

• Talls de llum i salts de proteccions.
• Llum que parpelleja (flicker).
• Equips sorollosos, que s'escalfen o fallen abans d'hora.
• Més consum i factures altes.
• Fallades en ordinadors i telecomunicacions.
• Baix rendiment i parades no previstes a les instal·lacions.

Causes de les Pertorbacions Elèctriques

Les pertorbacions poden ser d'origen intern o extern:

Causes Internes (80%) – Dins la Instal·lació de l'Usuari

• Connexions mal fetes.
• Circuits sobrecarregats.
• Transformadors o càrregues desequilibrades.
• Presència d'harmònics (distorsions per equips electrònics).
• Neutres i terres mal connectats o dimensionats.
• Arrencades de grans màquines, curtcircuits, cablejat deficient.

Causes Externes (20%) – Fora de la Instal·lació

• Llamps i fenòmens meteorològics.
• Fallades en centrals i xarxes de distribució.
• Problemes en sistemes de correcció del factor de potència.
• Dispar d'interruptors, fusibles, caiguda de línies, sobrecàrrega del sistema.

Anàlisi de la Qualitat Elèctrica

1. Alimentació Elèctrica Ideal

Una tensió ideal es pot expressar com: v(t) = 325 ⋅ sin(2π ⋅ 50 ⋅ t)

• Amplitud: 325 V (valor de pic)
• Freqüència nominal: 50 Hz
• Període: 20 ms

És una ona sinusoidal perfecta i simètrica.

2. Què són les Pertorbacions?

Les pertorbacions elèctriques són desviacions respecte a la forma ideal de l'ona sinusoidal. Poden afectar:

• Amplitud
• Freqüència
• Forma de l'ona
• Simetria entre fases

La repercussió que tenen depèn de la intensitat de la pertorbació i la sensibilitat dels equips receptors.

3. Paràmetres d'Amplitud de l'Ona

• Valor mig: mitjana d'un cicle.
• Valor eficaç (RMS): mesura de l'energia real útil.
• Valor de pic: màxim de l'ona.
• Factor de cresta: Factor de cresta = Valor de pic / Valor RMS = 1,414 (per a ona sinusoidal ideal).
• Relació valor RMS / valor mig: Valor RMS / Valor mig = 1,1.

Variacions Lentes de Tensió

Magnitud

Tensió elèctrica (V), concretament el valor eficaç de la tensió d'alimentació respecte al valor nominal.

Durada

Considerada lenta quan dura més de 10 segons (t > 10 s) si no supera el valor nominal. Es mesura en intervals de 10 minuts. Els límits s'apliquen al llarg d'una setmana.

Límits Raonables

• Funcionament correcte (marge raonable de variació): ±10% del valor nominal durant el 95% del temps d'una setmana. En xarxes no interconnectades o zones remotes: +10% / -15% durant el 100% del temps d'una setmana.
• Funcionament incorrecte (efectes detectables):
  • Tensió baixa:
    • Motors: no giren o pateixen sobrecàrrega a l'arrencada.
    • Lluminàries de descàrrega: no s'enceben o s'apaguen.
    • Llums incandescents: llum feble.
    • Contactors/relés: funcionament erroni del control.
  • Tensió alta: Pot provocar escalfament intern dels receptors. No provoca avaria immediata, però pot reduir la vida útil dels equips.
• Dany o avaria:
  • Tensió baixa: Sobrecàrrega en motors → pot derivar en avaria mecànica o tèrmica.
  • Tensió alta: Si se supera el límit tèrmic de tolerància, pot provocar danys irreversibles per escalfament.

Interrupcions de Tensió

Magnitud

Tensió elèctrica (V), concretament el valor de la tensió d'alimentació respecte a un llindar (normalment < 1% de la tensió nominal o declarada).

Durada

• Interrupció breu: ≤ 3 minuts. El 70% d'aquestes són < 1 segon.
• Interrupció llarga: > 3 minuts.

Límits Raonables

• Funcionament correcte: En condicions normals, es poden admetre certes interrupcions breus (algunes desenes a diverses centenes anuals), amb una durada inferior a 1 s en el 70% dels casos.
• Funcionament incorrecte (pertorbacions): Les interrupcions imprevistes (no programades) són considerades pertorbacions que afecten el funcionament normal dels receptors.
• Dany o avaria: Tot i que el text no detalla danys específics, una interrupció llarga o repetitiva pot:
  • Causar aturades inesperades de processos industrials.
  • Malmetre equips electrònics si no estan protegits adequadament (per exemple, ordinadors, PLCs, etc.).
  • Fer perdre dades o incrementar el desgast mecànic en reinicis freqüents.

Altres Consideracions

• Causes principals:
  • Actuacions de protecció per fallades.
  • Treballs programats (informació prèvia al client).
  • Incidències imprevistes (les més problemàtiques).

Buit de Tensió (Sag)

Magnitud

Tensió eficaç en un punt de la xarxa. El buit de tensió es produeix quan la tensió cau entre el 90% i l'1% de la tensió de referència (Ur, que en BT és la tensió nominal).

Durada

Entre 10 ms (½ cicle a 50 Hz) i 1 minut. Classificació segons durada:

• ½ cicle ≤ Δt < 200 ms
• 200 ms ≤ Δt < 500 ms
• 500 ms ≤ Δt < 1 s
• 1 s ≤ Δt < 5 s
• 5 s ≤ Δt < 1 min

Límits Raonables

• Funcionament correcte: El receptor pot tornar al seu estat normal després del buit, si la durada i profunditat són lleus. No sol causar destrucció de l'equip, però pot aturar el procés momentàniament.
• Funcionament incorrecte (pertorbacions):
  • Ordres errònies en sistemes electrònics de control.
  • Parades temporals en motors asíncrons o equips automatitzats.
  • En motors: el parell disminueix proporcional al quadrat de la tensió.
  • Contactors poden caure i requerir rearmament manual.
• Dany o avaria: Encara que el buit no danya físicament els equips, pot:
  • Interrompre producció, provocant pèrdues econòmiques.
  • Causar errors crítics en sistemes informàtics o de control industrial.

Criteris Tècnics

• Es considera buit complex si afecta més d'una fase (en sistemes trifàsics).
• Diferència amb una interrupció: Si la tensió cau per sota de l'1%, ja no és un buit, sinó una interrupció.
• Causa habitual: curtcircuits, augments de corrent o increment de la impedància.

Sobretensions Temporals (Swell)

Magnitud

Augment temporal de la tensió eficaç per sobre del 110% de la tensió de referència (Ur). En valors típics, no sol superar els 1,5 kV en BT.

Durada

Des que la tensió supera el llindar inicial (110% de Ur) fins que totes les fases tornen a estar iguals o per sota d'aquest llindar. Determinada per dos factors: l'amplitud de la tensió i el temps de persistència.

Límits Raonables

• Funcionament correcte: Pot ser tolerat per certs equips si la durada és molt curta i l'amplitud moderada. Sol produir-se per maniobres normals o desconnexions de càrregues.
• Funcionament incorrecte (pertorbacions):
  • Alteracions en el funcionament de dispositius sensibles.
  • Activació de proteccions o fallades en sistemes de control electrònic.
• Dany o avaria: Pot provocar avaries si:
  • La sobretensió és prolongada.
  • El pic de tensió és elevat (per sobre del nivell d'aïllament).
  • Pot afectar especialment el costat de baixa tensió d'un transformador si el defecte és aigües amunt.

Criteris Tècnics

• Considerada una pertorbació electromagnètica bidimensional (temps + tensió).
• En sistemes trifàsics, es considera acabada quan totes les fases tornen per sota del llindar.
• Causes habituals:
  • Desconnexió sobtada de càrregues grans.
  • Defectes aigües amunt del transformador.
  • Resonàncies temporals del sistema.

Sobretensions Transitòries (Transients)

Magnitud

Increment molt ràpid i curt de la tensió (de mil·lisegons o microsegons). Pot arribar a valors de cresta de fins a 6 kV (i puntualment més). Dues formes segons la seva ona:

• Simple
• Complexa

Durada

Molt curta: des de microsegons fins a uns pocs mil·lisegons. És una pertorbació transitòria entre dos règims estables.

Límits Raonables

• Funcionament correcte: Xarxes elèctriques ben dissenyades disposen d'aïllament dielèctric adequat. Els valors de tensió de xoc assignats són verificats mitjançant assajos.
• Funcionament incorrecte (pertorbacions):
  • Els receptors electrònics poden tenir comportaments erràtics.
  • Sistemes de control poden interpretar malament senyals.
• Dany o avaria: Receptors amb semiconductors de potència poden avariar-se fins i tot amb transitoris de durada de nanosegons. Sistemes digitals, controladors, alarmes, instrumentació i variadors de velocitat són altament sensibles.

Criteris Tècnics

• Considerades pertorbacions electromagnètiques de curta durada.
• Dos orígens principals:
  • Externs: llamps (impacte directe o induït).
  • Interns: maniobres, fusibles, convertidors, commutacions, etc.
• Els transitoris interns poden tenir més energia però menor tensió de pic que els externs.

Variacions Ràpides de Tensió (Flicker)

Magnitud

Variacions periòdiques o aleatòries de la tensió d'alimentació. L'amplitud no supera el ±10% de la tensió nominal (Un). No són buits ni sobretensions, però poden provocar efectes visuals molestos (flicker).

Durada

Des de diversos mil·lisegons fins a uns 10 segons.

Límits Raonables

• Funcionament correcte: Les instal·lacions dissenyades correctament haurien de resistir fluctuacions moderades.
• Funcionament incorrecte (pertorbacions): Flicker o parpelleig en il·luminació, perceptible per l'ull humà i molest en entorns industrials o d'oficina.
• Dany o avaria: Generalment no provoquen danys permanents, però poden afectar el confort o la precisió d'equips de control i sistemes visuals.

Criteris Tècnics

• Classificació segons la IEC (tipus de forma d'ona):
  • Tipus a: Variacions rectangulars periòdiques i d'igual amplitud (ex. càrregues resistives connectades o desconnectades regularment).
  • Tipus b: Variacions rectangulars irregulars en el temps, amb amplitud variable.
  • Tipus c: Variacions clarament separades i no necessàriament amb graons (ex. càrregues no resistives).
  • Tipus d: Sèries de fluctuacions esporàdiques o repetitives, associades a càrregues cícliques o aleatòries.

Freqüència en els Sistemes Elèctrics

Definició

La freqüència és la taxa de repetició de la component fonamental de la tensió (normalment 50 Hz) i indica la velocitat a la qual alterna el corrent.

Relació amb els Generadors

Està relacionada amb la velocitat de gir dels alternadors: f = p ⋅ n / 60, on f és la freqüència, p el nombre de parells de pols i n la velocitat de gir (rpm).

Límits de Freqüència segons UNE-EN 50160

• Xarxes interconnectades (amb connexió síncrona):
  • 50 Hz ±1% durant el 99,5% de la setmana.
  • 50 Hz +4% / -6% durant el 100% de la setmana.
• Xarxes aïllades (sense connexió síncrona):
  • 50 Hz ±2% durant el 95% de la setmana.
  • 50 Hz ±15% durant el 100% de la setmana.

Causes de Variació de Freqüència

• Quan la càrrega > generació, la freqüència disminueix.
• Quan la càrrega < generació, la freqüència augmenta.
• Més greu en sistemes aïllats que en xarxes grans interconnectades.

Efectes de la Variació de Freqüència

• Canvis en la velocitat de màquines rotatives.
• Desajust en rellotges elèctrics.
• Distorsions en filtres d'harmònics.
• Errors en equips electrònics amb rellotge intern.
• Vibracions en turbines → desgast i problemes mecànics.
• Problemes en sistemes d'autogeneració.

Simetria entre Fases i Desequilibris de Tensió

Què és un Desequilibri de Tensió?

En un sistema trifàsic equilibrat, les tres tensions:

• Tenen el mateix valor eficaç.
• Estan desfasades 120º entre si.
• Formen una seqüència antihorària directa.

Hi ha desequilibri de tensió quan:

• Els valors eficaços de les tres fases no són iguals.
• Els angles de desfasament no són exactament 120º.

Causes del Desequilibri

• Càrregues asimètriques (per exemple, moltes càrregues monofàsiques en una sola fase).
• Falles en una línia de transmissió.
• Problemes de connexió o desequilibris en la generació.

Com es Mesura el Desequilibri?

Mètode de les components simètriques (teorema de Fortescue): Es descomponen les tensions en tres components:

• Component directa: (seqüència normal)
• Component inversa: (seqüència contrària)
• Component homopolar: (comuna a totes tres fases)

El nivell de desequilibri s'expressa com: Desequilibri (%) = (Component inversa / Component directa) ⋅ 100

Efectes d'un Sistema Desequilibrat

• Escalfament excessiu dels motors.
• Disminució del rendiment.
• Vibracions i sorolls anormals.
• Reducció de la vida útil dels equips elèctrics.

Visualització del Desequilibri

• Sistema equilibrat: Tensions iguals i separades 120º → Formació perfecta i estable.
• Sistema desequilibrat: Diferents valors o angles → Sistema inestable, amb possibles problemes de funcionament.

Forma d'Ona i Harmònics

Què són els Harmònics?

• Els harmònics són components sinusoidals d'una ona que tenen freqüències múltiples senceres de la freqüència fonamental.
• Qualsevol senyal periòdic es pot descompondre en la suma de sinusoides (sèries de Fourier).
• Això vol dir que una ona "bruta" o distorsionada pot entendre's com la suma d'una forma pura (fonamental) i diverses oscil·lacions més ràpides (harmònics).

Tipus de Components Harmòniques

• Component fonamental: És la sinusoide principal, amb la mateixa freqüència que el senyal original (per exemple, 50 Hz).
• Harmònics: Són sinusoides amb freqüències múltiples de la fonamental (2n, 3r, 4t, etc.).

Comportament dels Harmònics

• Harmònics parells (2n, 4t, 6è, etc.): Si el senyal és simètric, s'anul·len entre si i solen ser inexistents o molt petits.
• Seqüències d'harmònics:
  • Seqüència homopolar (3r, 6è, 9è...): No tenen sentit de gir. S'acumulen al neutre, poden circular fins a 3 vegades més corrent. Si no hi ha neutre, no poden aparèixer.
  • Seqüència directa (1r, 4t, 7è...): Mateix sentit de gir que el motor. Escalfament addicional. El més significatiu és el 7è harmònic.
  • Seqüència inversa (2n, 5è, 8è...): Gira en sentit contrari al motor. Genera efectes mecànics negatius. El més destacat és el 5è harmònic.

Problemes Causats pels Harmònics

• Escalfament de cables i motors.
• Vibracions mecàniques.
• Sobrecàrregues al conductor neutre.
• Funcionament incorrecte d'equips electrònics.

Distorsió Harmònica

Què és la Distorsió Harmònica?

• És la deformació de l'ona sinusoidal perfecta generada per les centrals elèctriques.
• La causa principal són les càrregues no lineals (com equips electrònics, convertidors, etc.) dels usuaris.
• Els harmònics són ones sinusoidals de freqüència múltiple de la fonamental (50 Hz o 60 Hz) que se superposen al senyal original i el distorsionen.

Tipus de Components de Distorsió

• Harmònics: Freqüències múltiples de la fonamental (n·50 Hz).
• Interharmònics: Freqüències no múltiples de la fonamental. Apareixen sovint per l'ús de convertidors electrònics i dispositius de control.

Com es Mesura la Distorsió Harmònica?

Distorsió Harmònica Individual (%HD)

HDn(%) = (Vn / V1) ⋅ 100 o (In / I1) ⋅ 100

Distorsió Harmònica Total (THD)

THD(V)% = (√(V₂² + V₃² + V₄² + ...)) / V₁ ⋅ 100
THD(I)% = (√(I₂² + I₃² + I₄² + ...)) / I₁ ⋅ 100

Nivells de Contaminació (Orientatius)

Tensió (THDᵤ)

• < 5% → Situació normal
• 5% - 8% → Contaminació significativa
• > 8% → Contaminació important, cal actuar

Corrent (THDᵢ)

• < 10% → Situació normal
• 10% - 50% → Contaminació significativa
• > 50% → Contaminació greu, cal aplicar solucions

Efectes Negatius de la Distorsió Harmònica

• Efecte skin: Els harmònics circulen per la superfície del conductor, reduint la seva secció útil, la qual cosa provoca un escalfament elevat. Un harmònic d'ordre n escalfa n² vegades més que la mateixa intensitat fonamental.
• Falses alarmes i dispars:
  • En proteccions magnetotèrmiques, per escalfament o alts pics de corrent.
  • En diferencials, per derivacions de corrents paràsites cap a terra.