El estudio de armónicos mide y simula la distorsión de tensión y de corriente que producen variadores, rectificadores, inversores y otras cargas no lineales. La compara con los límites de IEEE 519-2022, que se aplican en el punto de acoplamiento común con la red, revisa si los condensadores crean una resonancia y dimensiona la solución: filtros pasivos o activos, reactores o cambios de configuración.
Qué es un estudio de armónicos
Los armónicos son corrientes y tensiones a frecuencias múltiplos de la fundamental (60 Hz en Colombia) que aparecen cuando una carga no consume corriente sinusoidal: variadores de velocidad, rectificadores, UPS, hornos, iluminación LED e inversores. Esas corrientes recorren la red, distorsionan la tensión que reciben los demás usuarios y calientan transformadores, cables, neutros y condensadores.
El estudio de armónicos hace tres cosas:
- Mide la distorsión real con un analizador de calidad de potencia, cuando la instalación ya existe.
- Simula la red con sus fuentes de armónicos y sus impedancias en función de la frecuencia, para encontrar resonancias y evaluar cargas o equipos que todavía no están.
- Compara con los límites de IEEE 519-2022 y propone la solución.
Es una de las piezas del estudio de calidad de potencia.
Cuándo se exige
- RETIE. En los requisitos del diseño detallado (numeral 3.3.1.1) el reglamento pide considerar los armónicos en el cálculo de cargas, en el cálculo de transformadores y en el cálculo de pérdidas de energía.
- Operador de red. Puede pedir que el usuario demuestre que su instalación no excede los límites de distorsión en la frontera, en especial cuando hay cargas no lineales grandes o generación con inversores.
- Antes de instalar un banco de condensadores, un filtro o variadores grandes: es el momento más barato para evitar una resonancia.
- Cuando ya hay síntomas: condensadores o fusibles que se queman, transformadores o neutros calientes, variadores que se disparan, interruptores que operan sin sobrecarga aparente.
Qué necesitamos de usted
- Unifilar con transformadores, bancos de condensadores y su conexión, y cargas no lineales grandes.
- Datos de los variadores, rectificadores e inversores: potencia, tipo de rectificador (6 pulsos, 12 pulsos, frente activo) y filtros incluidos.
- Nivel de cortocircuito en el punto de conexión y su relación X/R, que entrega el operador de red.
- Corriente de demanda máxima: IEEE 519-2022 aclara que se calcula con la demanda máxima de 15 o 30 minutos y que, si no hay 12 meses de datos, se usa la demanda proyectada.
- Acceso al punto de medición y una ventana para instalar el analizador, normalmente con la carga en servicio.
Método y norma
La medición se hace con analizadores clase A según IEC 61000-4-30 y el método de armónicos de IEC 61000-4-7. Según IEEE 519-2022, las mediciones para evaluar cumplimiento con clase A llegan hasta el armónico 50. La práctica recomendada de IEEE para estudios de armónicos en sistemas industriales es IEEE 3002.8-2018. Vea analizador de calidad de potencia.
Límites de tensión en el PCC (IEEE 519-2022), que no cambiaron frente a la edición de 2014:
| Tensión en el PCC | Armónico individual | THD de tensión |
|---|---|---|
| Hasta 1 kV | 5,0 % | 8,0 % |
| Más de 1 kV hasta 69 kV | 3,0 % | 5,0 % |
| Más de 69 kV hasta 161 kV | 1,5 % | 2,5 % |
| Más de 161 kV | 1,0 % | 1,5 % |
Límites de corriente: dependen de la relación entre la corriente de cortocircuito y la de demanda máxima en el PCC (Isc/IL). Entre más débil es la red frente a la carga, más estricto el límite: con Isc/IL menor que 20, el TDD admitido es 5 %, y crece por escalones para relaciones mayores. La edición 2022 relajó los límites de los armónicos pares y remite a IEEE 1547 o IEEE 2800 cuando la generación con inversores del sitio es al menos el 10 % de la demanda promedio anual.
Duración de la medición. IEEE 519 evalúa los índices de forma estadística a lo largo del ciclo de carga, no con una lectura puntual. Por eso el analizador se deja instalado varios días, normalmente al menos una semana, para que entren los turnos, el fin de semana y los arranques de las cargas grandes. Un pico aislado no significa incumplimiento, y una lectura «buena» tomada con la planta a media carga tampoco significa cumplimiento. La edición 2022 trae además un anexo con límites recomendados para interarmónicos, útiles cuando hay variadores de frente activo, filtros activos o inversores.
Resonancia. Un banco de condensadores en paralelo con la red tiene una frecuencia de resonancia aproximada de h ≈ √(Scc/Qc), donde Scc es la potencia de cortocircuito en la barra y Qc la potencia del banco. Si ese orden queda cerca del 5.º o el 7.º armónico, los más fuertes en los variadores de 6 pulsos, esas corrientes se amplifican entre el banco y la red.
Soluciones que se evalúan: banco con reactor de desintonía, filtro pasivo sintonizado, filtro activo, rectificadores de 12 o más pulsos o de frente activo, transformadores con desfase entre grupos de carga, y redistribuir cargas. La selección se apoya en la guía IEEE 1531 para filtros de armónicos.
Qué entregamos
- Informe de medición, con la evolución de la distorsión durante el ciclo de carga y su comparación con los límites.
- Modelo y barrido de frecuencia de la red, con las resonancias identificadas en cada configuración.
- Evaluación de cumplimiento en el PCC con IEEE 519-2022.
- Solución dimensionada: tipo de filtro o compensación, potencia, sintonía y verificación de que no crea una resonancia nueva.
- Revisión de transformadores: la reducción de capacidad por armónicos, según IEEE C57.110 cuando aplica.
Hallazgos típicos y lo que cuestan si se ignoran
- Banco de condensadores en resonancia. Fusibles que se funden y celdas que se hinchan. El cliente cambia condensadores una y otra vez sin quitar la causa. Vea banco de condensadores.
- Transformador caliente con carga «normal». Las corrientes armónicas aumentan las pérdidas; el aislamiento envejece antes y el transformador falla antes de su vida útil.
- Neutro sobrecargado por terceros armónicos en tableros con mucha carga monofásica electrónica.
- Variadores y equipos sensibles que se disparan por la distorsión de la tensión.
- Reclamo del operador de red cuando la instalación distorsiona la tensión de otros usuarios.
Estudios eléctricos con Tiza Group
Nuestro equipo mide, modela y le propone la solución con su verificación, de modo que el filtro o el banco que compre no cree un problema nuevo. Conozca nuestro estudio de calidad de potencia, el resto de nuestros estudios eléctricos y escríbanos por contacto.
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Referencias
- IEEE 519-2022, IEEE Standard for Harmonic Control in Electric Power Systems.
- IEEE 3002.8-2018, IEEE Recommended Practice for Conducting Harmonic Studies and Analysis of Industrial and Commercial Power Systems.
- IEEE 1531, IEEE Guide for the Application and Specification of Harmonic Filters.
- IEEE C57.110, IEEE Recommended Practice for Establishing Liquid-Immersed and Dry-Type Power and Distribution Transformer Capability When Supplying Nonsinusoidal Load Currents.
- IEC 61000-4-30 e IEC 61000-4-7, métodos de medición de calidad de potencia y de armónicos.
- RETIE, Resolución 40117 de 2024 del Ministerio de Minas y Energía, y sus modificaciones (numeral 3.3.1.1).
Preguntas frecuentes
¿Dónde se aplican los límites de IEEE 519?
En el punto de acoplamiento común (PCC), la interfaz entre la red del operador y la instalación del usuario, que puede estar en cualquier nivel de tensión. La edición 2022 aclara que sus límites solo se justifican en ese punto y que no están pensados para evaluar equipos individuales.
¿Qué diferencia hay entre THD y TDD?
El THD de corriente compara la distorsión con la fundamental del momento, así que se infla cuando la carga es baja. El TDD la compara con la corriente de demanda máxima de la instalación, y es el índice que usa IEEE 519 para los límites de corriente. Los dos coinciden solo a plena carga.
¿Por qué se queman los condensadores cuando hay armónicos?
Un banco de condensadores y la inductancia de la red forman un circuito resonante. Si la frecuencia de resonancia cae cerca de un armónico que producen las cargas, la corriente y la tensión de ese armónico se amplifican y sobrecargan el banco y sus fusibles.