Nota de aplicación

Las caídas de tensión, protecciones quesaltan intepestivamente, paneles y cuadros eléctricos que vibran y secalientan, y niveles de tensión excesi-vos indican la existencia de un posibleproblema en un sistema de distribucióneléctrica. Resulta útil conocer que estossíntomas nos indican la existencia dealgún problema en el sistema o instala-ción eléctrica. Pero, ¿dónde empieza labúsqueda para aislar la causa exacta deestos problemas de calidad de la elec-tricidad?. De la misma manera que losautomóviles tienen un único punto deconexión para controlar funciones vita-les, el sistema eléctrico tiene un puntode conexión similar: el cuadro eléctricode servicio. Puesto que se trata de unpunto común para la distribución deenergía a circuitos derivados, el cuadroeléctrico de servicio es el lugar adecuadopara conocer el estado del sistemaeléctrico. Incluso, para localizar proble-mas ubicados en otras partes del sistema,las medidas efectuadas desde el cuadropueden indicar dónde buscar. Algunosproblemas pueden descubrirsemediante una inspección visual rápida,mientras que otros requieren llevar acabo medidas.

Búsqueda de la causa del problemaEste artículo elaborado por expertos deFluke describe cómo hacer frente al problema de localización y solución deposibles y reales problemas eléctricos enla instalación. Comenzamos con seiscategorías o áreas a tener en cuenta antesde comenzar la inspección y son:

1. Nivel de tensión y su estabilidad enel suministro (caídas, huecos, cortes,subidas)

2. Equilibrio y carga de corriente3. Armónicos4. Conexión a tierra5. Puntos calientes: conexiones o

terminales sueltos6. Protecciones cortadas, derivadas y/o

dañadas.

Nivel y estabilidad de latensiónEl primer paso consiste en ver si losniveles y estabilidad de la tensión sonlos causantes del problema comprobandolos niveles de tensión de los circuitosderivados, fase a neutro y en el lado decarga de los disyuntores / protecciones. Nota: Por motivos de seguridad, alefectuar medidas de tensión mantengasiempre un nivel de protección entreusted y la fuente de energía que alimentaal sistema.

Si los niveles de tensión son bajosen el disyuntor, en la carga serán aúnmenores. Otras de las causas probablesincluyen conexiones sueltas o en malestado, grandes recorridos del cableadoy transformadores sobrecargados, quecrean una impedancia excesivamentealta (impedancia desde la carga a lafuente). La impedancia de la fuente deenergía y la caída de tensión en la cargason dos caras de la misma moneda.

Si se sospecha de la existencia decaídas intermitentes de tensión,comience en el cuadro a realizar susmedidas con el objetivo de determinarsi son caídas provocadas por cargas del

Medidas de mantenimiento desde

el cuadro eléctrico

propio circuito o están producidas porcargas de otras ubicaciones del sistemade distribución (incluidas caídas gene-radas por el suministro). Como punto departida podemos empezar a aislar elorigen de la caída utilizando un instru-mento portátil con dos canales deentrada y con funciones de registro,como el Analizador de calidad de laenergía eléctrica Fluke 43B. Esta herra-mienta puede registrar tanto la tensióncomo la corriente simultáneamente.

Conecte las sondas de tensión y lapinza amperimétrica del instrumento enel lado de carga del disyuntor, tal comose muestra en la Figura 1. Mediante elmodo de registro de Fluctuaciones del43B, se pueden registrar eventos detensión en la parte superior de la pantalla y sucesos de corriente en lainferior (Figura 2). Cada punto del gráfico(240 puntos para el registro en pantallacompleta) representa tres valores en elperiodo de muestra: el valor mínimo enun ciclo (mín o caída), el valor máximoen un ciclo (máx o subida), así como elvalor promedio de todos los ciclos en elperiodo de muestra.

NotaAntes de efectuar cualquier medida, familiarícese con elequipo que va a utilizar. Lea el manual de usuario del instrumento, prestando especial atención a las seccionesADVERTENCIA y PRECAUCIÓN No utilice los instrumen-tos de medida en aplicaciones para las que no hayan sidodiseñados. Tenga siempre en cuenta que si el equipo seutiliza de alguna forma no especificada por el fabricante,las protecciones de que está dotado el equipo podríanverse afectadas y usted podría encontrarse ante el riesgode un accidente eléctrico innecesario.

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2 Solución de problemas de calidad de la energía en el panel de servicio de Fluke Corporation

El periodo de muestra es el tiempotranscurrido entre un punto y el siguiente.El 43B permite seleccionar el tiempo demuestra deseado, siendo el periodomínimo un segundo (que corresponde aun tiempo de registro de cuatro minutos).El cursor puede moverse al punto deseado del registro y, junto con losvalores mínimo, máximo y promedio, semuestra la indicación del tiempo realdel suceso.

Aguas arriba, Aguas abajo¿Qué información buscar en un registrode la tensión y la corriente?• Si se produce una caída de tensión

simultáneamente con una subida decorriente, la causa de la caída habráque buscarla en la carga derivada delpunto donde hayamos efectuado elregistro (Figura 2). En otras palabras,la causa de la caída se produceaguas abajo al punto de medida y,por tanto, se puede pensar que existeuna perturbación relativa a la carga.

• Por otra parte, si la caída de tensióncoincide con un cambio muy pequeñode la corriente, es probable que lacausa de la caída haya sido aguasarriba al punto de medida y se puedepensar que existe una perturbaciónrelativa a la fuente de energía osuministro. Las perturbaciones relativasa la generación suelen estar producidaspor arranques de motores trifásicos depotencia, conectados a la misma fuentede energía o caídas originadas a nivelde suministro en la instalación. Si lacaída es profunda y se aproxima a ladiscontinuidad de suministro la causamás probable será un fallo en la fuenteenergética. El suceso seguramente sereflejará en una posible avería y elconsiguiente disparo del disyuntor,seguido por una reconexión automá-tica del mismo.

Equilibrio y corriente de cargaPara comprobar el equilibrio del sistemay corriente de carga, mida sobre cadauna de las fases aguas arriba y lacorriente en cada circuito derivado,receptor o carga. Al efectuar dichasmedidas, es fundamental utilizar unapinza amperimétrica de verdadero valoreficaz o un multímetro digital de verda-dero valor eficaz (DMM) con una sondade corriente.Una pinza amperimétrica de valor mediono proporcionará una medida precisa,cuando la forma de onda de la corrienteesté distorsionada. Este tipo de instru-mentos interpretan la forma de onda decomo una sinusoide independientementesi está distorsionada o no, por lo quetenderá a leer a la baja, lo que puede

llevarle a asumir que los circuitos tienenmenos carga de la real. Esto es lo quebuscamos al efectuar esta medida:• La carga entre las tres fases debe ser

lo más equilibrada posible. La corrienteno equilibrada resultante volverá porel neutro y, como veremos, el neutroya tiene bastante trabajo.

•Ni los transformadores, ni las protec-ciones ni los circuitos derivados y susconductores deben sobrecargarse aregímenes cercanos a sus máximasespecificaciones. Es conveniente tra-bajar por debajo (desclasificarlos) para“tolerar” la presencia de armónicos.

Como regla general, se puede aplicaruna sencilla fórmula para calcular estadesclasificación o reducción de losvalores nominales especificados en lostransformadores para cargas monofásicasque es, aplicable también a los conduc-tores.

Se trata de un concepto bastanteclaro. Factor de cresta (CF) es la relaciónde pico a rms.

Para una onda sinusoidal, dichovalor es 1,4. Por tanto, para una ondasinusoidal, que por definición no tienecontenido armónico ni distorsión, HDF = 1, lo que significa que no esnecesario reducir los valores especifica-dos. A partir de aquí se va reduciendo.Si CF = 2, un valor más probable paracircuitos con máquinas de oficinas, HDF = 1,4/2 = 0,70. Por tanto, un elemento conductor con valor nominalde 20 A sólo debe cargarse hasta un70% de su capacidad ó 14 A máx.

¿Cómo se mide el factor de cresta?Es necesario utilizar un multímetro digi-tal o pinza amperimétrica de verdaderovalor eficaz y, además, el multímetrotiene que poder medir el valor de picode la forma de onda de corriente. Estamedida la proporcionan también losanalizadores de armónicos u osciloscopiosdigitales de mano tipo ScopeMeter.

ArmónicosUna forma rápida de chequear la presencia y nivel de armónicos, es lade medir la corriente y frecuencia en elconductor de neutro. Si existen armóni-cos (en este caso armónicos “triplen” ode orden 3 y sus múltiplos) la corriente,oscilará entre un 80 y un 130% de lacorriente nominal de fase. Este curiosofenómeno se produce aunque el equili-brio del sistema sea perfecto y ocasionael que circulen corrientes importantespor los conductores de neutro. La Figura3 muestra algunas lecturas que se efectuaron en un cuadro eléctrico denuestra oficina. La frecuencia de 150 Hzdenota el foco del problema: corrientearmónica de orden 3.

Figura 1. Aislando la fuente del problema.

Negro

Cargarojo

MV

I

V

I

Aguas abajo (Carga)

Aguas arriba (Generación)

Figura 2. Tensión en la parte superior,corriente en la inferior. Indicación de tiempo real en la parte superior.

Factor de desclasifi. (HDF) =1,4 = (1,4) (RMS)

FC de corriente Pico

Solución de problemas de calidad de la energía en el panel de servicio de Fluke Corporation 3

Estas formas de onda se capturaron conun Analizador de la calidad eléctrica43B de Fluke. Observe que la corrientepor el conductor de neutro (Figura 3b)supera bastante lo esperado inclusopara corrientes no equilibradas. Aunquela mayoría de nosotros conocemos elhecho de que las corrientes del tercerarmónico (denominadas también desecuencia cero) generadas por cargasno lineales se añaden al neutro, nospreguntamos por qué. La Figura 4 intentaexplicar gráficamente este fenómeno.Básicamente, al mismo tiempo queexiste un desfase de 120 grados entrelas corrientes de cada una de las tresfases, las corrientes armónicas de orden3 se caracterizan porque vibran en fase,sumándose y circulando por la únicasalida posible que es el conductor deneutro. Es decir, todos alcanzan sus picosy puntos de cruce por cero prácticamenteal mismo tiempo (en realidad, existe uncambio de fase, pero es muy pequeñocomparado con el de los armónicos deorden diferente).

En estas circunstancias, el tamañodel conductor neutro se convierte en unapreocupación. El neutro debe conducir nosólo corriente proveniente de desequili-brios del sistema , sino también de lasuma de las corrientes de todos losarmónicos “triplen”. El nuevo R.E.B.T.establece en su instrucción técnica ITC-BT-19p3 que “En instalaciones interiores,para tener en cuenta las corrientesarmónicas debidas a cargas no linealesy posibles desequilibrios, salvo justifi-cación por cálculo, la sección del neutroserá como mínimo igual a la de lasfases.” En efecto, se necesita que elconductor de neutro sea al menos igualal tamaño de los conductores de fase.

Pero, esto puede resultar insuficiente yen algunos casos es reomendable que lasección del conductor de neutro sea eldoble de la de las fases. Es habitual la presencia de neutroscompartidos, la presencia de armónicostriplen en una parte de la instalación sereflejará en el resto de la misma eincluso se añadirán; convirtiéndo enincontrolable la corriente que circula porellos. El riesgo de quemado e incendio eselevado. Después de todo, hay que pensaren que el neutro no lleva proteccionesque eviten esta peligrosa sobrecarga. Unamedida de tensión tierra-neutro tambiénindicará si el neutro tiene demasiadacarga o si la impedancia del transforma-dor es demasiado alta.

La tensión tierra-neutro suele estarsobre los 0,25 V en el cuadro, mientrasque el valor real depende de la distanciaal transformador. Cualquier valor por enci-ma de 0,5 V debe anotarse e investigarse. ¿Qué ocurre si, en condiciones normales,la tensión tierra-neutro es practicamentecero? Posiblemente estemos delante deun problema real de conexiones y anteconexiones de tierra inseguras e ilegales.

Conexión a tierraLas conexiones tierra-neutro en cuadrossecundarios suponen una violación denormativa técnica. Las conexiones tierra-neutro deben realizarse en el transformador(aunque la normativa permite realizarlasen el cuadro principal). En cualquier caso,nunca deben realizarse aguas abajo alcuadro principal, de un cuadro secundarioo un receptor. Cuando se efectúa unaconexión tierra-neutro en un panel secun-dario o receptor, la ruta de conexión a tierra se convierte en una ruta de retornoparalela para la corriente de carga normal,lo que proporciona cierta corriente de tierra. ¿Cuál es una corriente de tierra normaly cuál no?

Figura 3a. La parte superior de la pantalla muestra formas de onda y la corriente rms defase, la parte inferior muestra la amplitud del tercer armónico.

Figura 3b. Corriente neutra.

Figura 4. ¿Por qué el tercer armónico se añade al neutro?Los terceros armónicos (en rojo) de cada fase (A,B y C) vibranen fase. No se compensan vectorialmente como ocurre conlas corrientes fundamentales, cuyo desfase ideal es de 120º.

Corriente de neutro total: 2,335 AObserve la forma de onda de corrientede 150 Hz.

Corriente debida al desequilibrio enel sistema: 0,783 A

Corriente armónica de orden 3:2,039 A

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4 Solución de problemas de calidad de la energía en el panel de servicio de Fluke Corporation

Para determinarlo, un método lógico esmedir la corriente en el conductor deneutro y, después, la corriente del cablede conexión a tierra. Si la corriente deneutro es, digamos, 70 A, y la corrientede conexión a tierra es de 2 A, es másprobable que la corriente de conexióna tierra sea una corriente de fuga. Si en el neutro tenemos 40 A y lacorriente de conexión a tierra es de 20 A,es probable que existan conexionestierra- neutro cableadas aguas abajodel transformador. Cuanto menor sea elratio corriente de neutro a corriente detierra, mayor será la probabilidad deque exista una conexión tierra-neutro.Las conexiones tierra-neutro tambiénpueden existir en receptores e inclusoen la propia carga, por lo que podríamostener que utilizar esta misma técnicapara medir corrientes de tierra en circuitos derivados del cuadro eléctrico.El instalador puede haber pensado quetodos los paneles están conectadoscomo cuadros eléctricos para serviciodoméstico o que la manera más rápidade reducir la tensión de tierra-neutroera realizar un puente a tierra aguasabajo del transformador. O quizá pensóque cuantas más conexiones a tierra,mejor. En cualquier caso, elimine todaslas conexiones tierra-neutro, sin excep-ción.

Puntos calientesLas conexiones flojas y las pérdidas decalor resultantes son el mayor origende la ineficacia de un sistema o insta-lación eléctrica (según un estudio delaño 1995 de la Washington StateEnergy Office). Desde el punto de vistade la calidad de la energía, las termi-naciones flojas contribuyen de maneradecisiva en la impedancia excesiva entransformadores, UPS’s, alternadores,cables, etc.. Afortunadamente, se puedenlocalizar fácilmente con un termómetropor infrarrojos.

Las medidas por infrarrojos (IR) conherramientas como el Fluke 61 ó 65son una técnica segura y eficaz para ladetección sin contacto de puntoscalientes en un cuadro eléctrico. Noobstante, existen algunos conceptosclave que es necesario comprender sise van a efectuar estas medidas:

• ¿Qué tamaño tiene el área que vamosa medir? La respuesta está en la resoluciónóptica del termómetro. Esta importanteespecificación es la que determina larelación de la distancia desde el objetomedido hasta el tamaño del punto amedir. Si la relación es de 4:1, quieredecir que si usted se encuentra a 4 mde la superficie que va a medir,medirá una circunferencia con 1 mde diámetro.

• Las sondas por infrarrojos portátilescomo el Fluke 80PK-IR se utilizanmás fácilmente para medidas detemperatura comparativas, no paramedidas absolutas. Por ejemplo, siexploramos una serie de disyuntores,bornas o barras colectoras con lasonda, podemos determinar fácilmentesi uno está mucho más caliente queel otro.

• Si realmente necesitamos efectuarmedidas precisas de temperaturaabsoluta con instrumentos por infrarro-jos de bajo coste (por debajo de € 500),el proceso se complica más. El problema en termómetros de estetipo se llama “factor de emisividad”.La emisividad indica la capacidad deun objeto para emitir energía infrarrojaen función de su temperatura y puedeoscilar entre 0 y 1. Por lo general, lassuperficies no pulidas o más oscurastienen mayor emisividad (cercana a1) y viceversa (cercana a 0). La mayorparte de instrumentos infrarrojos decoste reducido tienen una emisividadfija de 0,95 y cuanto más se aproximela superficie que se va a medir a estenivel de emisividad, más precisa serála medida. Hay un método muyextendido para evitar el error que seproduce cuando se mide con un termómetro con factor de emisividadfija a 0,95 sobre objetos con un factor muy por debajo de este valor.Consiste en utilizar cinta negra paracubrir la superficie a medir. De estaforma se consigue acercar el factorde emisividad a 0,95.

DisyuntoresMuchos técnicos dudan que los dis-yuntores tengan una duración limitada. En realidad, los contactos y muelles sedesgastan. Las medidas de caída detensión en los disyuntores puedenayudar a determinar su estado.Efectúe una medida en el lado decarga del disyuntor.Si la caída de tensión supera los 100 mV,es necesario cambiar el disyuntor. En elintervalo de 35 a 100 mV, las lecturasdeben documentarse y registrarse.En resumen, el cuadro eléctrico es laintersección donde se cruzan todos loscables del sistema eléctrico del edificioy el lugar donde el técnico de mante-nimiento eléctrico e industrial puedecomenzar la búsqueda y localizacióndel problema.

Fluke quiere dar las gracias a SteveUhrich de Valley Electric, Mt. Vernon,WA, por compartir su experiencia ydescubrimientos en la elaboración deeste artículo.Adaptación libre por J.David Rodríguez,ingeniero de soporte de Fluke Ibérica, S.L.

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