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Comité Consultivo Nacional de Normalización de Instalaciones Eléctricas

REQUISITOS NORMATIVOS PARA REQUISITOS NORMATIVOS PARA LA DISTORSILA DISTORSIÓÓN ARMN ARMÓÓNICA EN NICA EN INSTALACIONES ELINSTALACIONES ELÉÉCTRICASCTRICAS

M en C. Rodrigo Jiménez López

ANCE A.C.

JEFE DE DEPARTAMENTO DE NORMALIZACIÓN

4 DE JUNIO DE 2009

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Mencionar los aspectos generales y particulares de la distorsión armónica en instalaciones eléctricas, tomando como base algunas secciones de la NOM-001-SEDE y normativa mexicana aplicable.

Batería de lámparas suspendidas y luces laterales del proscenio520-44

Capacidad de conducción de corriente de los cables y cordones flexibles440-5Neutro364-24

Capacidad de conducción de corriente para tensiones nominales de 0 a 2 000 V. -> i) Conductor neutro

310-15

Límites de temperatura de los conductores310-10

Conductores en paralelo310-4

Cambio de tamaño nominal del conductor puesto a tierra240-23

Carga del neutro del alimentador220-22

Circuitos derivados multiconductores210-4

Selección de equipos -> Prevención de los efectos nocivos3.3.4

Objetivo

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Introducción a ladistorsión armónica

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¿ Cual es la preocupación ?

• Riesgo de incendio – Seguridad.

• Calentamiento de conductores, transformadores, bancos de capacitores, etc– Uso irracional de la energía eléctrica.

• Malfuncionamientos y reducción de tiempo de vida útil de equipos.– Confiabilidad operativa de los equipos

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• Red del suministrador de energía eléctrica.• Plantas de manufactura (acereras, sementeras,

papeleras, etc).• Hospitales.• Hoteles, Cines, Bancos.• Edificios comerciales.• Escuelas.• Casa habitación.

¿ A quien afecta ?

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¿ Afecta el Factor de Potencia ?

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¿ Distorsión armónica ?• El concepto teórico de las armónicas es que son tensiones y

corrientes cuya frecuencia es un MÚLTIPLO ENTERO DE LA FRECUENCIA DEL SISTEMA (p.e. 120 Hz, 180 Hz, 240 Hz, etc...).

• El concepto práctico de las armónicas, es que son un EFECTO INDESEABLE, p.e. calentamiento, que originan, algunas cargas lineales (p.e. transformadores saturados) y principalmente CARGAS NO LINEALES.

• Se puede decir que las armónicas son una CONTAMINACIÓN en las instalaciones eléctricas, originadas en mayor medida por las nuevas tecnologías (Drivers, inversores, variadores de velocidad, etc…).

CCNNIE En teoría

CCNNIE En la práctica

Transformador normal

Cargados al 100 %

Con armónicas

Transformador especial para armónicas

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¿Impacta a los capacitores?

• Ayudan a corregir el Factor de potencia, sin embargo si no es seleccionado e instalado adecuadamente su efecto puede originar más daños que beneficios

• Los capacitores no generan armónicas, pero en presencia de ellas las pueden amplificar.

• Además por su característica, los capacitores son los elementos que más rápidamente se dañan cuando se exponen a las armónicas

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Art. 100

Carga no lineal: Aquella donde la forma de onda de la corriente eléctrica en estado estable no siga la forma de onda de la tensión eléctrica aplicada.

NOTA: Ejemplos de cargas que pueden ser no lineales: equipo electrónico, alumbrado de descarga eléctrica/electrónica, sistemas de velocidad variable, hornos de arco eléctrico y similares.

¿ Cargas no lineales?

CCNNIE ¡¡¡ Cargas lineales/no lineales !!!

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¿ Quienes son las cargas no lineales ?

• Variadores de velocidad• Inversores• Drivers de CA• Drivers de CD• Computadoras• Copiadoras• PLC• Micro ondas• T V digitales• Lavadoras• DVD, videojuegos, etc.

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¿ Que daños ocasionan?• Paros de producción indeseados• Quema de Fusibles y Subestaciones (TR)• Quema de tarjetas digitales• Quema de PLC

• Daño en flechas de motores/generadores• Quema de motores• Sobrecalentamiento

• Daño en Capacitores• Corriente por el neutro

Entonces, ¿Se considera al neutro como conductor activo en presencia de armónicas ?, ¿Si/No, por qué?

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Requisitos/recomendaciones para la distorsión armónica

en la NOM-001-SEDE

CCNNIE3. Principios fundamentales – Selección de equipos

3.3.4 Prevención de los efectos nocivos

Todos los equipos eléctricos habrán de seleccionarse de manera que causen los menores efectos nocivos a otros equipos y a la alimentación durante el servicio normal, incluyendo las operaciones de interrupción.

En este contexto, los factores que pueden tener una influencia son:- el factor de potencia;- corrientes inducidas;- cargas asimétricas;- distorsión armónica.

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¿Efectos nocivos en la acometida y la planta de emergencia?.

a) En principio la afectación va a existir ya sea en el transformador o en la planta, dependiendo si esta en esta en estado de apertura o cierre el desconectadorautomático para transferencia, pero se manifiesta de manera diferente.

a) En el transformador se manifiesta con saturación del núcleo que puede originar calentamientos;

b) En el alternador de la planta de emergencia, se manifiesta con bloqueo en la flecha que puede destruirlo en el peor caso (en ausencia de una protección).

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¿Efectos nocivos en la acometida y la planta de emergencia?.

Si el contenido armónico es suficientemente alto, esto puede llevar a que la planta de emergencia no provea la potencia que se le requiere. En este caso, puede ser necesario sobredimensionar la planta de emergencia para evitar la perdida en el suministro.

El principal efecto de la presencia de las tensiones y corrientes armónicas en las maquinas rotatorias (de inducción y sincronas) es el incremento de temperatura debido a las pérdidas en el hierro y en el cobre en las frecuencias armónicas. Adicionalmente la reducción sostenida del aislamiento, puede disminuir el tiempo de vida útil de la maquina rotatoria.

Motores y generadoresORDEN DEARMONICO

FRECUENCIA

Hz.SECUENCIADE LA RED

ARMÓNICASEN EL

ESTATOR

ROTACIÓNARMÓNIC

AARMÓNICAS

EN EL ROTOR

1 60 ( + ) 1 DIRECTA

5 300 ( - ) 5 INVERSA 6

7 420 ( + ) 7 DIRECTA 6

11 660 ( - ) 11 INVERSA 12

13 780 ( + ) 13 DIRECTA 12

ORDEN DEARMONICOORDEN DEARMONICO

FRECUENCIA

Hz.

FRECUENCIA

Hz.SECUENCIADE LA REDSECUENCIADE LA RED

ARMÓNICASEN EL

ESTATOR

ARMÓNICASEN EL

ESTATOR

ROTACIÓNARMÓNIC

A

ROTACIÓNARMÓNIC

AARMÓNICAS

EN EL ROTORARMÓNICAS

EN EL ROTOR

11 6060 ( + )( + ) 11 DIRECTADIRECTA

55 300300 ( - )( - ) 55 INVERSAINVERSA 66

77 420420 ( + )( + ) 77 DIRECTADIRECTA 66

1111 660660 ( - )( - ) 1111 INVERSAINVERSA 1212

1313 780780 ( + )( + ) 1313 DIRECTADIRECTA 1212

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210 – Circuitos derivados210-4. Circuitos derivados multiconductores

a) General. Se permite el uso de circuitos derivados multiconductores como circuitos derivados reconocidos en este Artículo. Se puede considerar un circuito derivado multiconductorcomo varios circuitos. Todos los conductores deben originarse en el mismo tablero de alumbrado y control.

NOTA: Una instalación tres fases cuatro conductores de un sistema conectado en estrella, utilizada para suministrar energía eléctrica a cargas no lineales, puede requerir que el sistema esté diseñado para permitir altas corrientes armónicas en el neutro.

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La carga del neutro del alimentador debe ser el máximo desequilibrio de la carga determinado por este Artículo. La carga de máximo desequilibrio debe ser la carga neta máxima calculada entre el neutro y cualquier otro conductor de fase; excepto que la carga así obtenida, se debe multiplicar por 140% para sistemas de dos fases tres conductores o dos fases cinco conductores. En un alimentador para estufas eléctricas domésticas, hornos de pared y secadoras eléctricas, la carga máxima de desequilibrio se debe considerar al 70% de la carga en los conductores de fase, calculada según la Tabla 220-19 para las estufas y 220-18 para las secadoras. Para los sistemas de tres conductores de c.c. o monofásicos de c.a.; sistemas de tres fases cuatro conductores, dos fases tres conductores o dos fases cinco conductores, se debe calcular otro factor de demanda de 70% para la parte de la carga en desequilibrio superior a 200 A. No debe reducirse la capacidad de conducción de corriente del neutro en la parte de la carga que consista en cargas no lineales alimentadas con un sistema de tres fases cuatro conductores, conectado en estrella ni en el conductor puesto a tierra de un circuito de tres conductores que esté formado por el conductor neutro y dos fases de un sistema tres fases cuatro conductores conectado en estrella.

NOTA: Un sistema de tres fases cuatro conductores conectado en estrella utilizado para suministrar corriente eléctrica a cargas no lineales, puede requerir que el sistema esté proyectado de modo que permita que pasen por el neutro corrientes altas producidas por armónicos.

220 – Calculo de los cirucitos derivados, alimentadores y acometidas

220-22. Carga del neutro del alimentador.

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Sistema de tres fases cuatro conductores conectado en ∆Y (normal) para alimentar

cargas no linealesEn los transformadores delta–estrella las corrientes armónicas “triples” se suman en el neutro del secundario.

En el primario, las corrientes armónicas “triples” desbalanceadas del primario salen de la delta y las corrientes armónicas “triples” balanceadas del primario quedan atrapadas en la delta.

Aunque esto puede utilizarse para eliminar corrientes armónicas “triples” balanceadas, ésto sólo es válido en determinadas aplicaciones, sin embargo, se genera la recirculación de estas corrientes en la delta.

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Sistema de tres fases cuatro conductores conectado en ∆Y (Zig-Zag) para alimentar

cargas no linealesLos transformadores ∆Y con secundario en zig-zag están formados por seis devanados iguales, dos por fase. Esta disposición desvía las corrientes armónicas “triples” del neutro a los conductores de fase.

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Cuando se produzca un cambio de tamaño nominal del conductor de fase, se permite hacer un cambio similar en el tamaño nominal del conductor puesto a tierra.

NOTA 1: La reducción de los conductores puede ser por uso de conductores en derivación (Ver 240-21).

NOTA 2: El aumento de los conductores puede ser por caída de tensión mayor para circuitos derivados (Ver 210-19(a)), o para alimentadores (Ver 215-2(c)), o bien por presencia de corriente con armónicos (Ver 250-5).

240 – Protección contra sobrecorriente

240-23. Cambio de tamaño nominal del conductor puesto a tierra

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Los conductores de cobre o de aluminio de tamaño nominal de 53,5 mm2 (1/0 AWG) y mayores, que sean los conductores de fase, el neutro o el conductor puesto a tierra de un circuito, pueden ir conectados en paralelo (unidos eléctricamente en ambos extremos para formar un solo conductor).

Excepción 1: …Excepción 2: …Excepción 3: …Excepción 4: Se permite instalar en paralelo conductores neutros puestos a tierra de tamaño nominal 33,6 mm2 (2 AWG) y mayores, en las instalaciones ya existentes.

NOTA: Lo indicado en la Excepción 4 puede utilizarse para disminuir el calentamiento de los conductores neutros con corrientes eléctricas con un alto contenido de armónicas de tercer orden en instalaciones existentes.

Los conductores en paralelo de fase, neutro o puestos a tierra en cada circuito, deben ser:1) De la misma longitud.2) Del mismo material conductor.3) Del mismo tamaño o área transversal.4) Con el mismo tipo de aislamiento.5) Con terminales de las mismas características.Cuando los conductores se instalen en cables o en canalizaciones distintas, los cables y canalizaciones deben tener las mismas características físicas.

NOTA: Eligiendo apropiadamente los materiales, forma de construcción y orientación de los conductores, se pueden minimizar las diferencias de reactancia inductiva y la división desigual de corriente eléctrica. Para conseguir ese equilibrio, no es necesario que los conductores de una fase, neutros o puestos a tierra sean los mismos que los de la otra fase, neutros o puestos a tierra para obtener el balance…

310 – Conductores para alambrado en general310-4. Conductores en paralelo

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Ningún conductor debe utilizarse de modo que su temperatura de operación supere la designada para el tipo de conductor aislado al que pertenezca. En ningún caso deben ir juntos los conductores de tal modo que con respecto al tipo de circuito, al método de alambrado aplicado o al número de conductores, se supere el límite de temperatura de cualquiera de los conductores empleados.

NOTA: La temperatura nominal de un conductor (véanse las Tablas 310-13 y 310-61) es la temperatura máxima, en cualquier punto de su longitud, que puede soportar durante un periodo prolongado de tiempo sin que se produzca degradación. …

Los principales determinantes de la temperatura de operación de los conductores son:1) La temperatura ambiente. …

2) El calor generado interiormente en el conductor por el paso de la corriente eléctrica, incluidas las corrientes fundamentales y sus armónicas.

3) El factor de disipación del calor generado al medio ambiente. …

4) Conductores adyacentes que transportan carga. …

310 – Conductores para alambrado en general310-10. Límites de temperatura de los conductores.

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1.- Un conductor neutro que transporte sólo la corriente desbalanceada de otros conductores del mismo circuito, no se considera para lo establecido en 310-15(g).

2.- En un circuito de tres hilos consistente en dos fases y el neutro de un sistema de cuatro hilos, tres fases en estrella, el conductor común transporta aproximadamente la misma corriente que la de línea a neutro de los otros conductores, por lo que se debe considerar al aplicar lo establecido en 310-15(g).

3.- En un circuito de cuatro hilos tres fases en estrella, cuando la mayor parte de las cargas no son lineales, por el conductor neutro pasan armónicas de la corriente por lo que se le debe considerar como conductor activo o portador de corriente.

310 – Conductores para alambrado en general

310-15 – Capacidad de conducción de corriente para tensiones nominales de 0 a 2 000 V.

i) Conductor neutro

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Cuando se requiera una barra para el neutro del sistema, ésta debe tener una capacidad de conducción de corriente adecuada para conducir todas las corrientes eléctricas de carga del neutro, incluyendo las armónicas, además debe tener capacidad adecuada instantánea de cortocircuito de acuerdo con los requisitos del sistema.

364 – Ductos con barras (electroductos)

364-24. Neutro.

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En ningún caso deben agruparse los conductores de modo que excedan sus límites de temperatura, teniendo en cuenta el tipo de circuito, el tipo de instalación o la cantidad de conductores.

Un conductor neutro que sólo conduzca la corriente de desequilibrio de otros conductores del mismo circuito, no se considera como conductor activo o portador de corriente.

En un circuito de tres hilos con dos hilos de fase y el neutro así como en un sistema de tres fases cuatro hilos, conectado en estrella, el conductor común conduce aproximadamente la misma intensidad de corriente que los otros conductores de fase, por lo que se debe considerar como conductor activo o portador de corriente.

En un circuito de tres fases cuatro hilos conectados en estrella, en el que la mayor parte de la carga sea no lineal, como lámparas de descarga, equipo electrónico y equipo de procesamiento de datos o similares, en el conductor neutro se producen corrientes armónicas, por lo que éste debe considerarse como conductor activo o portador de corriente.

440 – Equipos de aireacondicionado y de refrigeración

440-5 – Temperatura máxima admisible del aislamiento.

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520-44 Un conductor de neutro que porta solamente la corriente de desbalanceo de otros conductores del mismo circuito, no necesita considerarse como un conductor portador de corriente.

En un circuito de tres fases que conste de dos conductores de fase y el neutro de un sistema trifásico de cuatro hilos conectado en estrella, un conductor común porta aproximadamente la misma corriente que otros conductores con corrientes de línea a neutro, y debe considerarse como un conductor portador de corriente.

En un circuito trifásico de cuatro hilos conectado en estrella, en donde la mayor parte de la carga son cargas no lineales, tales como alumbrado por descarga eléctrica, equipo de cómputo, o equipo similar, hay corrientes armónicas presentes en el conductor neutro, y el neutro debe considerarse como un conductor portador de corriente.

520 – Teatros, áreas de audiencia en cines y estudios de TV y lugares similares

CCNNIE¿Neutro como conductor activo?

En un circuito de cuatro hilos tres fases en estrella, cuando la mayor parte de las cargas no son lineales, por el conductor neutro pasan armónicas de la corriente por lo que se le debe considerar como conductor activo o portador de corriente.

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Normatividad Mexicana aplicable a distorsión armónica

en instalaciones eléctricas

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IEC

Especificaciones

NOM

IEEE, EN

NMX-ANCE

IEC 61000-X-X – Niveles de Compatibilidad, límites de emisión

CFE

L0000-45Compromisos

Regulación técnica –SENER - CRE

IEEE 519EN 50160

Esquema de normas Nacionales

-NMX – voluntarias-Especificaciones

Regulaciones-NOM´s

-Extranjeras

-Internacionales

Normas Mexicanas

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Normas Internacionales/Extranjeras

La serie de normas de IEC de armónicas se dividen en los diferentes niveles de tensión:

• En BT se aplica directamente a equipos a) Comerciales conectados a la red de distribución IEC 61000-3-2

(Límites de corrientes armónicas impares para equipos con I<=16A por fase).

b) Equipos profesionales con 16 A < IL< 75 A aplica la IEC 61000-3-12 y para equipos con I > 75 A aplica la IEC 61000-3-4

• En MT, AT Y EAT se tiene la IEC 61000-3-6, la cual se aplica directamente a Instalaciones eléctricas:a) Utilizaciónb) Suministro

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•IEC 61000

•IEEE

Normas de armónicasNormas Internacionales.

2-2. Niveles de compatibilidad para las perturbaciones conducidas de baja frecuencia y la transmisión de señales en las redes de suministropúblico en baja tensión.2-4. Niveles de compatibilidad para las perturbaciones conducidas de baja frecuencia en instalaciones industriales.3-2. Armónicas (<16A), equipo residencial.3-4. Armónicas (>16A) , equipo industrial.3-6. Límites de perturbación en MT/AT.3-12. Armónicas (>16A y <75 A), equipo comercial.4-7. Especificaciones del medidor de armónicas.4-13. Inmunidad a corrientes armónicas4-30. Métodos de medición de calidad de la energíaNormas extranjeras.

IEEE 519 - Practicas recomendadas y requisitos para controlar armónicas en sistemas eléctricos de potencia.IEEE 518 – Guía para la instalación de equipo eléctrico y para minimizar el ruido proveniente de fuentes externas en la entradade controladores.IEEE 1531 – Guía para la aplicación y especificaciones de filtros de armónicas.IEEE 1159 – Guía para la medición de calidad de la energía.IEEE 1453 – Practicas recomendadas para la medición y límites de parpadeo (flicker) en sistemas de corriente alterna.

CCNNIENormas y especificaciones aplicables a distorsión armónica

Normas y regulaciones extranjeras (Centro y Sudamérica)

1993

2001

1999

1997

CCNNIENOM-001-SEDE – INSTALACIONES

ELÉCTRICAS (UTILIZACIÓN).

Requisito

Requisito

Requisito

Requisito

Requisito

Recomendación

Recomendación

Requisito

Recomendación

Requisito

Batería de lámparas suspendidas y luces laterales del proscenio520-44

Capacidad de conducción de corriente de los cables y cordones flexibles

440-5

Neutro364-24

Capacidad de conducción de corriente para tensiones nominales de 0 a 2 000 V. -> i) Conductor neutro

310-15

Límites de temperatura de los conductores310-10

Conductores en paralelo310-4

Cambio de tamaño nominal del conductor puesto a tierra240-23

Carga del neutro del alimentador220-22

Circuitos derivados multiconductores210-4

Selección de equipos -> Prevención de los efectos nocivos3.3.4

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Especificaciones Nacionales de distorsión armónica

Procedimiento para asegurar los compromisos de suministro de CFE

– Armónicas– Parpadeo– Caídas de tensión

CCNNIE

Especificaciones nacionales de armónicas

CFE L0000-45

• La especificación de CFE considera armónicas, parpadeo (fliker), desbalance de tensión y corriente.

• En armónicas considera los mismos límites de la IEEE519 (tabla 11-1) aplicable a compañías suministradoras

• Y para parpadeo (fliker) considera los requisitos de la IEC 61000-3-3 (mismos que en la NMX-J-550/3-3-ANCE).

CCNNIE NMX-ANCE de distorsión armónicaSe dividen en aplicación para Instalaciones eléctricas y para equipos:

– Sistemas Eléctricos de Potencia/Instalaciones eléctricas (utilización)(3.3.4 Prevención de los efectos nocivos – Estas NMX ayudan para tener los

menores efectos nocivos a otros equipos y a la alimentación – NOM-001-SEDE)

• NMX-J-610/3-6-ANCE-2008 – Límites de distorsión armónica (MT, AT y EAT).

• NMX-J-550/2-2-ANCE-2005 – Límites de distorsión armónica (BT).• NMX-J-550/4-30-ANCE-2005 – Métodos de medición de distorsión

armónica.• NMX-J-616-ANCE-2009 – Guia de aplicación de filtros y capacitores

para la correción de distorsión armónica.

– Equipos que se conectan en BT (electrodomésticos/industriales) –(3.3.4 Prevención de los efectos nocivos – Estas NMX ayudan para tener los

menores efectos nocivos a otros equipos y a la alimentación – NOM-001-SEDE)

• NMX-J-550/3-2-ANCE-2005 – Límites y métodos de medición de distorsión armónica (BT - Domésticos).

• NMX-J-550/3-4-ANCE-2005 – Límites y métodos de medición de distorsión armónica (BT - Profesionales)

CCNNIE

NMX-J-610/3-6-ANCE

Norma de aplicación nacional para armónicas en instalaciones eléctricas de suministro/utilización

CCNNIE

Tabla 4

CCNNIE

CCNNIE NMX-J-550/4-30-ANCE

CCNNIECaso práctico de mediciones

Equipo de medición

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

CCNNIE NMX-J-616-ANCE

CCNNIEBeneficios de utilizar las Normas Mexicanas de distorsión armónica en instalaciones eléctricas

Entre los beneficios más importantes de utilizar las NMX de distorsión armónica en instalaciones eléctricas resaltan:

• Ayudan a tener los menores efectos nocivos a otros equipos y a la alimentación, conforme al requisito de 3.3.4 (Prevención de los efectos nocivos) de la actual NOM-001-SEDE-2005.

• Los límites de distorsión armónica de estas NMX-ANCE ayudan a mantener la corriente armónica en el neutro en niveles controlados, conforme a las lo indican las secciones 210-4, 220-22, 240-23, 310-4, 310-10, 310-15, 364-24, 440-5, 520-44 de la actual NOM-001-SEDE-2005.

• Conocer los límites de distorsión armónica aplicables a instalaciones eléctricas.• Conocer los métodos normalizados de medición de distorsión armónica en

instalaciones eléctricas.• Entender los procedimientos de evaluación de la distorsión armónica aplicables

a instalaciones eléctricas.

CCNNIE

Gracias !!!!

¿¿¿Preguntas???.

M. en C. Rodrigo Jiménez Lópezrjimenez@ance.org.mx

Tel: 57 47 45 50 ext. 4686Fax: 57 47 45 60, 75