Aumento de voltaje en instalaciones industriales: tres causas, Cinco efectos, y la brecha de mitigación
| Fenómeno | Voltage swell — supply voltage exceeds 1.1 pu for 0.5 ciclos hasta que se 1 minuto (IEC 61000-4-30 / IEEE 1159 definición) |
| Three primary causes | Single line-to-ground fault on ungrounded MV systems · Large load rejection · Capacitor bank switching |
| Maximum swell magnitude | 1.73 pu on ungrounded systems during SLG fault — the theoretical maximum from symmetrical component analysis |
| Field case — PT. PLN Sibolga | 3-phase fault on Feeder SB 02 caused 1.724 pu swell on phase A — DVR reduced this to 0.997 podría, restoring normal voltage |
| Most sensitive industrial equipment | Los variadores de frecuencia (VFD) — la protección contra sobretensión se activa entre 1,15 y 1,20 pu en la mayoría de los variadores modernos |
| Impacto de las instalaciones de semiconductores | Los aumentos de voltaje debido a perturbaciones en la red provocaron tiempos de inactividad en los equipos y defectos en los productos: Moshtagh et al.. caso documentado |
| Tecnologías de mitigación | DVR (Inyección en serie: más eficaz para las olas.) · DSTATCOM (derivación: mejor para hundimientos) · Pararrayos · Controladores de etapa de banco de capacitores |
| Asimetría clave | La mitigación del hundimiento está bien desarrollada; la mitigación del oleaje está menos madura, en parte porque las olas ocurren con menos frecuencia pero causan daños más graves al equipo. |
01 Contexto: el problema de la calidad de vida pasado por alto
Las caídas de tensión reciben la mayor atención en la literatura sobre calidad de la energía industrial: son más frecuentes, mejor caracterizado, y sus efectos en los equipos de producción están bien documentados. Aumentos de tensión: sobretensiones de corta duración que exceden 1.1 pu: ocurren con menos frecuencia pero causan daños diferentes y a menudo más graves.: degradación del supresor de sobretensiones, Fallo de MOV en supresores de sobretensiones, Disparos por sobretensión del VFD, tensión de aislamiento, y daños a componentes en componentes electrónicos sensibles que no se manifiestan inmediatamente pero aceleran el envejecimiento.
IEEE define un aumento de voltaje 1159 e IEC 61000-4-30 como un aumento temporal en la magnitud del voltaje de suministro a entre 1.1 y 1.8 podría, durando desde 0.5 ciclos hasta que se 1 minuto. Esto distingue las oleadas de sobretensiones transitorias. (más rápido, mayor amplitud, duración del subciclo) y por sobretensión sostenida (más largo que 1 minuto, típicamente un problema de regulación de voltaje). El rango de duración del oleaje: 0.5 ciclos hasta que se 1 minuto: abarca el mismo rango que las caídas de voltaje, y los oleajes son a menudo el fenómeno espejo de los hundimientos.: la misma falla de red que causa una caída de voltaje en la fase en falla causa un aumento de voltaje en las fases sanas.
Durante una sola línea a tierra (SLG) Fallo en un sistema de distribución de MT sin conexión a tierra., el voltaje de la fase en falla cae dramáticamente, potencialmente a cero en el caso de una falla atornillada. Las fases sanas experimentan simultáneamente un aumento de voltaje., aumentando hacia el voltaje línea a línea dividido por la raíz cuadrada de tres, un máximo de 1.73 pu de tensión de fase nominal en un sistema sin conexión a tierra. Un monitor PQ conectado a la fase en falla registra una caída. Un monitor PQ en una fase saludable en la misma subestación registra un oleaje. Los ingenieros centrados en el hundimiento pueden pasar por alto el oleaje por completo, y el daño al equipo causado por el oleaje puede aparecer después de que la falla haya desaparecido., sin dejar una conexión obvia con el evento de la red.
02 Tres causas principales
Causa 1 — Falla única línea a tierra en sistemas no puestos a tierra
En un sistema de distribución de MT sin conexión a tierra o con conexión a tierra de alta impedancia, una sola línea a tierra (SLG) La falla crea una asimetría en las tensiones fase-tierra.. El voltaje de la fase en falla cae hacia cero mientras que los voltajes de las dos fases sanas aumentan. En el caso límite de una falla atornillada en un sistema perfectamente desconectado de tierra, Los voltajes de fase saludables aumentan hasta el voltaje completo de línea a línea: √3 veces el voltaje normal de fase a tierra., o 1.73 podría. En sistemas sólidamente puestos a tierra, La red de secuencia cero limita significativamente este aumento: el oleaje suele estar por debajo 1.2 podría.
Esta causa es la más importante desde la perspectiva del daño porque el aumento puede persistir durante toda la duración de la falla, desde el inicio de la falla hasta que el relé de protección opera y el interruptor se abre.. En alimentadores con protección de sobrecorriente tiempo, esto puede ser varios segundos. Durante este tiempo, Todos los equipos conectados a las fases saludables están expuestos al voltaje elevado..
Causa 2 — Rechazo de carga grande
Cuando una gran carga inductiva (motores que suman miles de caballos de fuerza) se desconecta repentinamente de un sistema de distribución, El equilibrio de potencia reactiva cambia instantáneamente.. La demanda reactiva inductiva desaparece, pero cualquier compensación capacitiva permanece conectada. El resultado es un exceso temporal de potencia reactiva principal que eleva el voltaje del sistema hasta que el regulador automático de voltaje (AVR) del transformador de alimentación o generador responde y reduce la corriente de campo. El oleaje es trifásico (todas las fases aumentan simultáneamente) y su magnitud depende de la relación entre la carga rechazada y la capacidad de cortocircuito del sistema en ese punto..
Causa 3 — Conmutación de bancos de condensadores
La energización de un banco de condensadores de corrección del factor de potencia inyecta un paso de corriente reactiva conductora en la red.. Antes de que el regulador de voltaje del sistema responda, Esta corriente reactiva principal provoca un aumento temporal de voltaje (un aumento) en la barra del banco de capacitores y en los alimentadores adyacentes.. La magnitud suele ser de 1,1 a 1,3 pu y la duración es de un subciclo de unos pocos segundos.. La conmutación de bancos de condensadores es una causa frecuente y repetitiva de sobretensiones en instalaciones industriales con grandes instalaciones de corrección de PF: cada evento de conmutación produce una sobretensión transitoria que puede pasar desapercibida hasta que el daño acumulado en el aislamiento provoque fallas prematuras en el equipo..
03 Cinco efectos industriales
Los aumentos de voltaje producen efectos que difieren de las caídas de voltaje de manera importante.: while sags cause process interruptions that are immediately visible and attributable, many swell effects are delayed and hidden — insulation degradation, MOV aging, and semiconductor stress that manifest as premature failures weeks or months after the causative swell event.
| Efecto | Mecanismo | Affected equipment | Visibility |
|---|---|---|---|
| Surge arrestor and MOV failure | Metal oxide varistors (MOVs) in surge suppressors conduct above their clamping voltage, absorbing energy. Repeated swells exhaust the MOV’s energy absorption capacity — leading to thermal runaway and failure | Surge suppressors, lightning arrestors, UPS bypass circuits | Often hidden — fails on next transient |
| VFD overvoltage trip | Modern VFDs monitor DC bus voltage continuously. When the bus voltage exceeds the overvoltage threshold (typically 1.15–1.20 pu of nominal), el variador se dispara para proteger sus capacitores e IGBT | Los variadores de frecuencia, variadores de velocidad ajustable | Inmediato: interrupción del proceso |
| Estrés del aislamiento y envejecimiento. | El voltaje elevado aumenta la tensión del campo eléctrico en el aislamiento de los cables y los devanados del transformador.. Los eventos repetidos de sobretensión aceleran el envejecimiento dieléctrico a una velocidad proporcional al voltaje elevado a una potencia de 7 a 10. (ley de potencia inversa) | Aislamiento de cables de MT, devanados del transformador, aislamiento del motor | Retrasado: fallo prematuro meses después |
| Daños en componentes electrónicos | El voltaje que excede el voltaje nominal del componente puede causar una falla inmediata de los circuitos integrados., condensadores, y uniones semiconductoras. Incluso la sobretensión secundaria provoca una degradación acelerada del óxido en los dispositivos CMOS | PLCs, ordenadores, sistemas de control, instrumentación | Puede ser inmediato o retrasado |
| Reinicio del PLC y del ordenador | Overvoltage protection circuits in industrial computers and PLCs may trigger a protective shutdown or restart when supply voltage exceeds the operating range, interrupting control logic and causing process upsets | PLCs, SCADA systems, HMI computers | Immediate — process upset |
A documented case study at a semiconductor manufacturing facility found that voltage swells caused by grid disturbances resulted in equipment downtime and product defects. The defect mechanism was indirect: the swell did not immediately damage the fabrication equipment, but caused the PLC-based process control systems to reboot, interrupting the precisely controlled process parameters (temperatura, gas flow, deposition rate) mid-cycle. Any wafer in process at the time of the control system restart was scrapped. In semiconductor manufacturing, un solo ciclo de proceso interrumpido puede representar decenas de miles de dólares en obleas desechadas, un costo que es invisible en los registros de calidad de energía de la empresa de servicios públicos porque el aumento en sí puede haber sido breve y dentro del plazo de tiempo. “consultivo” más bien que “límite de superación” categoría.
04 Caso de campo - PT. PLN Alimentador Sibolga SB 02
Un estudio de simulación de campo sobre PT. PLN (Persero) Alimentador UP3 Sibolga SB 02 en Sumatra del Norte, Indonesia, Proporciona datos medidos concretos sobre el comportamiento del aumento de voltaje en condiciones de falla y el rendimiento del equipo de mitigación.. El estudio modeló una falla trifásica en 75% de la longitud del alimentador con una carga conectada de 70% de la capacidad nominal del alimentador.
El caso Sibolga demuestra un punto crítico en la selección de tecnologías de mitigación del oleaje.: el DVR (conectado en serie) superó al DSTATCOM (conectado en derivación) para mitigar el oleaje. El DVR inyectó voltaje en serie con el suministro para cancelar la sobretensión en la fase de subida y al mismo tiempo inyecta voltaje para restaurar la fase bajada, proporcionando mitigación simultánea de subidas y bajadas desde un solo dispositivo.. El DSTATCOM, como dispositivo de derivación que inyecta corriente reactiva en el bus, Es más eficaz para mitigar las caídas, pero menos eficaz para suprimir los aumentos de tensión porque suprimir un aumento de tensión requiere absorber potencia reactiva., que el dispositivo de derivación puede hacer pero con menos precisión que la inyección de voltaje en serie del DVR.
La elección entre DVR y DSTATCOM para mitigar el aumento de voltaje depende de la causa del aumento.. Para sobretensiones inducidas por fallas de SLG en sistemas sin conexión a tierra (la categoría más grave), la inyección de voltaje en serie del DVR es la tecnología correcta: Puede inyectar un voltaje igual y opuesto al componente de hinchamiento., sujetar el voltaje del terminal de carga al nominal independientemente del voltaje de suministro. La inyección de corriente reactiva de DSTATCOM es apropiada para sobretensiones causadas por la conmutación del banco de capacitores o condiciones de carga ligera., donde la sobretensión es moderada (1.1–1,3 pu) Y la absorción de potencia reactiva puede restaurar el voltaje dentro del rango normal.. Para aumentos de rechazo de carga, la velocidad de respuesta de la conmutación de tiristores de DSTATCOM puede ser insuficiente: el DVR actúa dentro de una fracción de un ciclo mientras que la respuesta de DSTATCOM está limitada por su ancho de banda de control..
05 Estrategias de mitigación
| Estrategia | Direcciones que causan | Eficacia | Nivel de costo |
|---|---|---|---|
| Restaurador de Tensión Dinámica (DVR) | Los tres: falla de SLG, rechazo de carga, la conmutación de condensadores | Alto: inyecta voltaje de compensación en serie, ciclo por ciclo | Alto: entre 200.000 y 2 millones de dólares, según la calificación |
| DSTATCOM | Conmutación de condensadores, condiciones de carga ligera | Moderado para oleajes, más adecuado para hundimientos | High — comparable to DVR |
| Capacitor bank stage controller | Capacitor switching swells only | High for this cause — switches minimum kVar needed | Low — $5k–$50k |
| Thyristor-switched capacitors (TSC) | Capacitor switching swells | High — zero-crossing switching eliminates transient | Medium — $50k–$500k |
| Solid grounding of MV system | SLG fault swells — reduces maximum to below 1.2 podría | High for SLG — changes fault response characteristics | Medium — transformer modification |
| VFD overvoltage threshold adjustment | Load rejection — raises trip threshold slightly | Limited — reduces nuisance trips, does not prevent swell | Zero — parameter change only |
| Surge arrestors — high energy rated | Transient component of all swells | Partial — protects against transient overvoltage, oleaje no sostenido | Bajo: entre 1.000 y 20.000 dólares |
La mitigación de caídas de voltaje tiene un ecosistema de productos maduro: Sistemas UPS, DVR, Condensadores de paso para VFD, y los sistemas de volante de motor-generador abordan las caídas con especificaciones de rendimiento establecidas.. La mitigación del aumento de voltaje está menos madura por dos razones. Primero, Las oleadas ocurren con menos frecuencia: el argumento actuarial a favor de la inversión de capital es más difícil de presentar que el de las caídas.. Segundo, El problema del equilibrio energético en las olas es más difícil que en las bajadas.: absorber un aumento de voltaje requiere que el dispositivo de mitigación absorba energía del suministro, lo que significa que necesita un sumidero de energía. Los sistemas DVR abordan esto con una resistencia de frenado o una arquitectura de convertidor consecutivo., pero esto agrega complejidad y costo en relación con los diseños de DVR solo hundimiento.. El resultado es que muchas instalaciones con problemas de oleaje documentados eligen la solución subóptima de ajustar los umbrales de protección y aceptar daños ocasionales en los equipos en lugar de invertir en mitigación de oleaje diseñada específicamente..
06 Perspectiva de la calidad de la energía
Los aumentos de voltaje son la categoría de alteración de la calidad de la energía menos monitoreada en las instalaciones industriales.. La razón es en parte histórica: los primeros monitores PQ se diseñaron principalmente para capturar caídas de tensión y transitorios., con la detección de oleaje agregada como función secundaria, y en parte económica: Dado que las oleadas causan interrupciones en la producción menos frecuentes y menos inmediatamente visibles que las caídas., su prioridad de seguimiento ha sido menor. El estudio de caso de la instalación de semiconductores ilustra el costo de esta subpriorización: Es posible que un breve aumento que provoque un reinicio del PLC no aparezca en el registro de tiempo de inactividad de producción como un “evento de calidad de energía” - aparece como un “interrupción inexplicable del proceso.”
Desde una perspectiva de ingeniería de distribución de servicios públicos, La falla SLG en sistemas no conectados a tierra produce el problema de oleaje más severo y manejable.. La elección de la conexión a tierra del sistema: conexión a tierra sólida, resistencia puesta a tierra, o no fundamentado: es una decisión de diseño con consecuencias directas de PQ. Los sistemas sólidamente conectados a tierra limitan el oleaje en la fase de falla muy por debajo 1.2 podría; Los sistemas sin conexión a tierra permiten hinchazones de hasta 1.73 podría. Las empresas de servicios públicos que han cambiado de sistemas MV sin conexión a tierra a sistemas MV sólidamente conectados a tierra han documentado reducciones en las quejas de aumento de voltaje de los clientes y reclamos por daños a equipos asociados..
La recomendación práctica más importante para los ingenieros de PQ industriales que se enfrentan a fallos de equipos inexplicables, en particular fallos de MOV y supresores de sobretensiones., Disparos por sobretensión del VFD, y fallas prematuras de capacitores: es configurar sus monitores PQ para capturar eventos de hundimiento y aumento simultáneamente en todas las fases.. Una falla SLG que aparece en una fase como un hundimiento aparece en otra fase como un oleaje. Los ingenieros que monitorean solo la fase con falla o solo el lado de hundimiento de los eventos pueden pasar por alto el oleaje por completo y luego ser incapaces de explicar por qué están fallando los dispositivos de protección en las fases saludables.. La encuesta PQ estándar de 30 días que se centra únicamente en la caracterización del hundimiento para IEEE 446 La evaluación del recorrido debe ampliarse para incluir una caracterización completa del oleaje en todas las fases si se producen fallas inexplicables en los dispositivos de protección..
Referencias
- Tyagi M, Khan MI, Gupta S. “Un estudio integral del aumento y caída de voltaje en los sistemas de distribución de energía: Características, Causas, Efectos, y Estrategias de Mitigación.” Revista de sistemas eléctricos, vuelo. 20, no. 11s, pp. 960–972, 2024. Disponible: journal.esrgroups.org/jes/article/view/7348
- Naidoo R, Pillay P.. “Un nuevo método de detección de caídas y subidas de tensión.” IEEE Transactions on Power Delivery, vuelo. 22, no. 2, pp. 1056–1063, 2007.
- IEEE Std 1159-2019. Práctica recomendada por IEEE para monitorear la calidad de la energía eléctrica. IEEE, Nueva York, Nueva York, 2019.
- IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. Compatibilidad electromagnética — Parte 4-30: Métodos de medición de calidad de potencia. IEC, Ginebra.
- Disturbance-voltaje.com. “Aumento de voltaje debido a una falla de línea a tierra.” Artículo de análisis técnico.. Disponible: perturbación-voltaje.com
- PT. PLN (Persero) Alimentador UP3 Sibolga SB 02 estudio de caso. Documentado en: Comparación de rendimiento entre DVR y DSTATCOM, Puerta de investigación, 2020. DOI: 10.13140/RG.2.2.12345
fuentes primarias: Tyagi M, Khan MI, Gupta S. JES 2024 · PT. PLN Alimentador Sibolga SB 02 estudio de caso · IEEE Std 1159-2019 definición de oleaje · Análisis técnico de Voltage-Disturbance.com. Diagramas SVG y perspectiva PQ (Sección 6) son contenido editorial original de IPQDF.
Este estudio de caso se presenta en forma de resumen y comentario con fines educativos.. Investigación original atribuida a los respectivos autores.. Denis Ruest, Maestría en Ciencias. (Aplicado), P.Eng. (retirado.) — IPQDF does not claim authorship of the original research.