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Calidad de Suministro Eléctrico
E.U.P. Universidad de SevillaDpto. de Ingeniería EléctricaVirgen de áfrica, 741011 SevillaTelf.: +34 95 455 28 14; Fax: +34 95 455 62 18Web: www.irnase.csic.es/users/invespot/index.htm
Mª Dolores Borrás TalaveraE-Mail: [email protected]
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¿Qué es Calidad Eléctrica?
• Se puede definir como:
Cualquier problema eléctrico manifestado en:
– La Tensión– La corriente eléctrica– O variaciones en la frecuencia
Que originan fallos, cortes o malfuncionamiento en el suministro eléctrico.
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¿Qué es Calidad Eléctrica?
• La calidad eléctrica nos indica el grado con el que una instalación eléctrica soporta la actuación de todas sus cargas de modo eficiente y fiable.
• La calidad se degrada por las perturbaciones que se generan en la propia instalación o que proceden del exterior.
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¿Qué es Calidad Eléctrica?
• 2/3 de los incidentes se originan en la propia instalación y no depende del suministro eléctrico, se deben a:
* Equipos electrónicos o informáticos.* Balastros electrónicos en la iluminación.* Variadores de velocidad de motores.* Cables largos o de reducida sección.
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CONCEPTOS FUNDAMENTALES
•Tensión del suministro eléctrico
•Registros de la tensión
•Perturbaciones Eléctricas
•Análisis de perturbaciones
•Normativa
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Suministro eléctrico
•230 VAC fase-neutro en sistemas de cuatro conductores (3F + N)
•230 VAC fase-fase en sistemas de tres conductores
L1
N
L2
L3
230 VAC
400 VAC
4 conductores (3F + N)
Tensión fase-neutro
3 conductores (3F)
L1
L2
L3
230 VAC
Tensión fase-fase
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Tensión del suministro eléctrico ideal
Tensión
u(t)
t
325 V20msg
230V2
325(t)dtuT1U
T
02
RMS === ∫
•Parámetros de calidad:
•Tensión eficaz
t)50sen(2
•Forma de onda
•Frecuencia
•Simetría en tensiones trifásicas
•Forma de onda senoidal 325 u(t) ⋅⋅=
•Amplitud: 325V
•Valor eficaz:
•Periodo: T=20msg
•Frecuencia: 50Hz
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PROBLEMÁTICA DEL PASADO
Obtener un suministro eléctrico
• sin interrupciones
• sin distorsión en la forma de onda de tensión
• de frecuencia constante
• equilibrada en sus tres fases (Fuente tipo 1).
Suministro eléctrico
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Fuente de potencia tipo 1
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PROBLEMÁTICA ACTUAL
Soportar un suministro eléctrico con
• Interrupciones y huecos de tensión
• Sin armónicos severos
• Con ligeros desequilibrios
• Con frecuencia casi constante
Insensibles a equipos eléctricos, actualmente más sensibles (Fuente tipo 2).
Suministro eléctrico
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Fuente de potencia tipo 2
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Medida y registro de la tensión eficaz
•Medida tradicional: RMS cada 20msg
•Medida actual: RMS cada 10msg
230V
Vac
t
20 msg10 msg
227V 215V218V
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Medidor de la Calidad de la Red (MCR)
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Analizador trifásico de la calidad de onda
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PERTURBACIONES ELPERTURBACIONES ELÉÉCTRICASCTRICAS
Las perturbaciones eléctricas se pueden detectar de varias formas como:
• Ordenadores que se cuelgan
• Parpadeo de luces y monitores
• Sobrecalentamiento de motores
• Disparo intempestivo de protecciones
• Elevadas facturas de consumo eléctrico
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PERTURBACIONES ELPERTURBACIONES ELÉÉCTRICASCTRICAS
1.Transitorios
2.Perturbaciones en la amplitud de la tensión:
• Variaciones de larga duración
• Variaciones de corta duración
3.Desequilibrios de tensión
4.Distorsión de la forma de onda
5.Flicker
6.Cambios de frecuencia
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TRANSITORIOSTRANSITORIOS
Comportamiento momentáneo y no deseado de la señal
• Impulsivo: ( U cresta < 6KV)
• Nanosegundo (<50nsg)
• Microsegundo (50nsg-1msg)
• Milisegundo (>1msg)
• Oscilatorios:• Baja frecuencia (<5Khz,duración 0.3-50 msg, 0 a 4 veces URMS)
• Media frecuencia (5-500Khz,duración 20 μsg, 0 a 8 veces URMS)
• Alta frecuencia (0.5-5Mhz,duración 5 μsg, 0 a 4 veces URMS)
Pueden presentarse también transitorios estacionarios de tipo impulsivo debidos a la conmutación periódica de dispositivos electrónicos de potencia
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TRANSITORIOSTRANSITORIOS
Causas:
• Conexión y desconexión de grandes cargas• Descargas atmosféricas• Maniobras de interruptores.• Conmutación en electrónica de potencia
Efectos:
• Destrucción de componentes electrónicos de los equipos• Bloquear ordenadores• Errores en transmisión de datos digitales• Dañar aislamiento de motores u otros equipos
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Transitorios impulsivos
Transitorios oscilatorios
TRANSITORIOSTRANSITORIOS
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Transitorio estacionario impulsivo
1. Transitorios
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PERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIPERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIÓÓNN
Los parámetros que las caracterizan son amplitud y duración.
Se clasifican en:
Sobretensión:Aumento en el valor eficaz de la tensión superior al 110%
Hueco:
Disminución del valor eficaz inferior al 90% hasta el 10%
Corte:
Valor eficaz cero o inferior al 10%
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Variaciones de larga duración:
(Sobretensión, hueco, corte)Desviaciones del valor eficaz superior al minuto
PERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIPERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIÓÓNN
Variaciones de corta duración:
(Sobretensión, microhueco, microcorte)
Desviaciones del valor eficaz inferior al minuto. Se dividen en:
Instantáneas (0.5 y 30 ciclos)Momentáneas (30 ciclos y 3 segundos)Temporales (3 sg y 1 min)
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Variaciones de larga duración:Dependen de la red más allá del punto de entrega de la compañía
PERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIPERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIÓÓNN
Variaciones de corta duración:
Dependen de nuestra instalación, desde el punto de entrega hasta nuestras cargas.
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PERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIPERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIÓÓNN
Huecos:Huecos:Son los más frecuentes.
Causas:
Conexión o desconexión de una gran cargaCortocircuitoSobrecarga
Efectos:
Fluctuaciones en la iluminación Reinicio de ordenadores y equipos electrónicosParadas intempestivas de variadores de velocidad.
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PERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIPERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIÓÓNN
Microhueco
Hueco
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PERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIPERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIÓÓNN
SobretensionesSobretensiones::
Causas:
Suelen originarse por un descenso de la carga más alláde nuestra instalación
Efectos:
Disparo de las protecciones automáticas Daño a los motoresReducción de la vida de las luminarias.
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PERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIPERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIÓÓNN
Sobretensión corta duración
Sobretensión larga duración
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PERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIPERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIÓÓNN
microcorte
Corte
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hueco
microcortes
Tensión RMS en %
Interrupciones largas
110%sobretensión
100%
t1 min
10%
90%
PERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIPERTURBACIONES EN LA AMPLITUD DE LA TENSIÓÓNN
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Se producen cuando el sistema trifásico es asimétrico o está desequilibrado.
Un desequilibrio en tensión de más del 2% ocasiona fallos prematuros de motores y otras cargas trifásicas, las cargas más alejadas del cuadro principal sufren mayores desequilibrios
DESEQUILIBRIOS DE LA TENSIDESEQUILIBRIOS DE LA TENSIÓÓNN
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OffsetOffset de continua:de continua:presencia de componente continua en la señal
DistorsiDistorsióón armn armóónica:nica:Alteración de la forma de onda senoidal de la tensión
Causas:
Tienen su origen en las cargas de la instalación que consumen corrientes a frecuencias distintas a 50Hz
Efectos:
Provocan sobrecalentamientos en cables, motores y transformadores
Disparo intempestivo de interruptores, reles o fusibles.
DISTORSIDISTORSIÓÓN DE LA FORMA DE ONDAN DE LA FORMA DE ONDA
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¿Qué son los armónicos?Señales cuyas frecuencias son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental de la tensión. Se les designa por su orden.
La frecuencia fundamental in Europa es 50 Hz
3er armónico es 3 x 50Hz or 150Hz5º armónico es 5 x 50Hz or 250Hz, etc.
La distorsión armónica total se expresa mediante la TASA de DISTORSIÓN ARMONICA (THD)
1
2
2
U
UTHD
n
hh
V
∑==
DISTORSIDISTORSIÓÓN DE LA FORMA DE ONDAN DE LA FORMA DE ONDA
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¿Qué causa los armónicos?
Cargas no lineales
La corriente no es proporcional a la tensión aplicada
DISTORSIDISTORSIÓÓN DE LA FORMA DE ONDAN DE LA FORMA DE ONDA
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DISTORSIDISTORSIÓÓN DE LA FORMA DE ONDAN DE LA FORMA DE ONDA
Cargas linealesCargas linealesResistencias, bobinas y condensadores¿Qué significa esto?
Si una tensión senoidal pura alimenta un corcuito con una R pura, la corriente en el circuito cumple la ley de Ohm.La relación entre V e I es una línea recta. La corriente sera senoidal de la misma frecuencia.
Cargas lineales son luces incandescentes, resistencias caloríficas y motores
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DISTORSIDISTORSIÓÓN DE LA FORMA DE ONDAN DE LA FORMA DE ONDA
Cargas no linealesCargas no linealesUso de semiconductores de potencia¿Qué significa esto?
Si una carga es no lineal no se puede prever la relación entre V e I fácilmente a menos que tengamos las curvas características de cada dispositivo usado. En circuitos con muchos componentes semiconductores es prácticamente imposible.
Cargas no lineales son interruptores no controlados (rectificadores con diodos)Semicontrolados ( diodos y tiristores)Controlados (Tiristores)
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DISTORSIDISTORSIÓÓN DE LA FORMA DE ONDAN DE LA FORMA DE ONDA
Efecto de los armEfecto de los armóónicos en la forma de ondanicos en la forma de onda
Los armónicos se representan como una suma se ondas senoidales puras dónde la frecuencia de cada sinusoide es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental de la onda distorsionada.La suma de las sinusoides creadas por los armónicos se analizan usando el concepto de las series de Fourier.
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DISTORSIDISTORSIÓÓN DE LA FORMA DE ONDAN DE LA FORMA DE ONDA
¿¿QuQuéé efectos ocasionan los armefectos ocasionan los armóónicos?nicos?
•Los armónicos se transportan por todo el sistema eléctrico desde la fuente origen y pueden duplicar la corriente por el neutro en un sistema de distribución trifásico
•La corriente distorsionada procedente de las cargas fuente de armónico también distorsiona la tensión a través de la impedancia del sistema
•La introducción de armónicos afecta a todo el sistema eléctrico y a la calidad de la potencia.
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DISTORSIDISTORSIÓÓN DE LA FORMA DE ONDAN DE LA FORMA DE ONDA
¿¿QuQuéé efectos ocasionan los armefectos ocasionan los armóónicos?nicos?•Efecto Skin: Los armónicos tienden a conducir a través de una fina corona exterior al conductor reduciendo la sección eficaz del mismo y provocando sobrecalentamiento n2 veces superior a la reducción de la sección eficaz
•Sobrecalentamiento de motores: El armónico 7º tiende a hacerlo girar en sentido inverso, pérdida de rendimiento mecánico, sobrecalentamiento del núcleo por las corrientes parásitas.
•Disparo intempestivo de las protecciones: Las protecciones magnetotérmicas se disparan, magnéticas por un excesivo valor de la I de pico, térmicas por sobrecalentamiento.
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•InterarmónicosSeñales que contienen componentes de frecuencia que no son múltiplos de la fundamental.
• CortesPerturbación de tensión periódica causada por normalfuncionamientode los dispositivos electrónicos de potencia cuando la corriente conmuta de una fase a otra.
• RuidoSe define el ruido, como señales eléctricas no deseadas, con un amplio contenido espectral inferior a 200KHz, superpuestas a la señal capturada en un punto del sistema.
DISTORSIDISTORSIÓÓN DE LA FORMA DE ONDAN DE LA FORMA DE ONDA
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“Impresión de inestabilidad de la sensación visual debida a un estímulo luminoso en el cual la luminosidad o la distribución espectral fluctúan en el tiempo”. (EN 50160)
Son variaciones sistemáticas de la envolvente de la tensión, o bien, una serie de cambios aleatorios de la tensión. La magnitud de las fluctuaciones de tensión no excede los rangos de tensión comprendidos entre el 90% y el 110%.
Según CEI 61000-4-15
Intensidad de la molestia:
Pst: Severidad de corta duración (10min)
Plt: Severidad de lartaduración (2h)
FLICKERFLICKER
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Se originan en las cargas que funcionan en un régimen cíclico de arranque y parada, aunque no afecte al funcionamiento de los equipos resulta molesto al ojo humano
Una fluctuación del 0.5% en la amplitud y una frecuencia de 9Hz en la tensión puede provocar dolor de cabeza.
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Origenes del flicker
CARGAS INDUSTRIALES:
• Hornos de arco (cc y ca)
•Equipos de soldadura
CARGAS FLUCTUANTES
CARGAS CONECTADAS EN BAJA TENSIÓN:
•Grandes fotocopiadoras
•Motores
•Equipos de rayos X
SISTEMAS
EÓLICOS
FLICKERFLICKER
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Se define como la desviación de la frecuencia fundamental del sistema, de su valor nominal especificado (50Hz).
Las causas que originan las variaciones de frecuencia, están relacionadas con la alteración del equilibrio carga-generador.
Cuando la carga es superior a la generación, la frecuencia disminuye y en caso contrario aumenta.
CAMBIOS DE FRECUENCIACAMBIOS DE FRECUENCIA
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ORIGEN DE LAS PERTURBACIONES
Cargas no lineales:
Son aquellas que alimentadas por una tensión senoidaldemandan una corriente no senoidal
Contienen electrónica en su etapa de entrada
Suponen más del 50% de la potencia instalada en las instalaciones modernas.
Fuentes no senoidales:
La mayoría provienen de fuentes de energía alternativa
ANANÁÁLISIS DE LA CALIDAD DE LA POTENCIALISIS DE LA CALIDAD DE LA POTENCIA
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TIPOS DE PERTURBACIONESTIPOS DE PERTURBACIONES
Perturbaciones Perturbaciones estacionariasestacionarias
Perturbaciones Perturbaciones transitoriastransitorias
Distorsión armónica
Fallos, transitorios de conmutación
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AnAnáálisis de la calidad de la potencialisis de la calidad de la potencia
DISTORSIÓN
ALEATORIA
PERIÓDICA O ARMÓNICOS
Análisis de Fourier
perturbaciones estacionarias
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AnAnáálisis de la calidad de la potencialisis de la calidad de la potencia
perturbaciones transitorias
TTéécnicas de ancnicas de anáálisislisis
ACTFACTF DWTDWT
Formas de ondas distorsionadas componentes de alta frecuencia no necesariamente armónicos
sin relación con el fundamental
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EJEMPLO:EJEMPLO: Espectro TFEspectro TF
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1
-0.5
0
0.5
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1
-0.5
0
0.5
1
señal con 4 frecuencias: 25, 50, 100 y 200 Hz
señal con 4 frecuencias: 200, 100, 50 y 25 Hz
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Espectrograma STFT con ventana Hanning ancha
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Δtf
t
frecuencia
Tiempo (o área espacial)
Δf
Análisis tiempo-frecuencia con la STFT
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Análisis tiempo-frecuencia con la WT
Área constante
f
t
frecuencia
Tiempo (o área espacial)
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Teoría de wavelets
magnitud
t
magnitud
t
magnitud
t
Wavelet de Haar Wavelet Mexican hat Wavelet de Daubechies 4
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Teoría de wavelets
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0 2000 4000 6000 8000-2
0
2
0 2000 4000 6000 8000-2
0
2
0 2000 4000 6000 8000-0.5
0
0.5
0 2000 4000 6000 8000-2
0
2
0 2000 4000 6000 8000-0.5
0
0.5
0 2000 4000 6000 8000-2
0
2
0 2000 4000 6000 8000-1
0
1
0 2000 4000 6000 8000-2
0
2
0 2000 4000 6000 8000-2
0
2
0 2000 4000 6000 8000-2
0
2
0 2000 4000 6000 8000-0.2
0
0.2
señal con transitorio y hueco
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0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000-2
-1
0
1
2
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000-2
-1
0
1
2x 10
-3
señal con transitorio y hueco
coeficientes d1 con zoom en eje y
coeficientes d1
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DWT, coefficientes discretos
nive
l
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
CWT, coefficientes continuos
time (or space) b
Esc
alas
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 800015913172125293337414549535761
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000-2
-1
0
1
2señal con transitorio y sobretensión
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NORMATIVAS
Normativa aplicable a la CALIDAD ELÉCTRICA
•UNE-EN 50160:
Características de la tensión suministrada por las redes generales de distribución.
•CEI 61000-4-30:
Técnicas de ensayo y de medida.Métodos de medida de la calidad eléctrica
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Interés generalAlgunas soluciones planificadas (actualmente incorporadas en distintos grados)
• Mejora de la red* aumento de la potencia de reserva* mejora de conexiones de neutro y de redes de tierra
• Mejora de la seguridad del sistema* modernas técnicas de análisis on-line* métodos de monitorización y diagnóstico
• Técnicas de mitigación del efecto de las perturbaciones* sistemas de alimentación ininterrumpida* filtros pasivos y activos* compensadores serie o paralelo* sistemas estáticos de potencia para conmutación rápida entre
redes
Retos en la mejora de la calidad de servicio
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Retos en la mejora de la calidad de servicio
• Incorporar nuevas técnicas de análisis para perturbaciones no estacionarias al medidor actual
• Detectar prematuramente fallos en las líneas de transmisión• Describir los efectos de las conexiones de fuentes de
generación alternativa a la red eléctrica. ¿Alteran la calidad de la señal? ¿Cómo afectan al consumidor?
• Desarrollar un instrumento que permita:– Efectuar medidas en el estado casi-estacionario y en el estado
transitorio (perturbación).– Medir transitorios cortos y de larga duración, variaciones de
amplitud y variaciones de frecuencia.– Clasificar, en tiempo real, el tipo de perturbación antes de
registrarla.