Impacto de la Iluminación Residencial Eficiente en la Calidad de la Energía de una Red de Distribución

9 Inge CuC, Vol. 10, n° 2, pp 9-19, Diciembre, 2014  Resumen: En este trabajo se analiza el impacto que  produciría en las redes de distribución eléctrica el  reemplazo masivo de lámparas incandescentes por  las denominadas lámparas de bajo consumo, entre  las cuales se destacan las LFC (Lámparas Fluores- centes Compactas) y las LED (Light Emitting Diode  - Diodo Emisor de Luz). Se prevé a corto y mediano  plazo que estas tecnologías emergentes reempla- zarán a las lámparas incandescentes, puesto que  desde junio de 2011 Argentina (siguiendo normas  implementadas en otros países) puso en vigencia la  prohibición de la venta de lámparas incandescen- tes de potencia superior a 25 W. Se modeló y simuló  una red de distribución residencial y se investigó  la influencia que tendría en los índices de calidad  de la energía el incremento progresivo de lámpa- ras con alto contenido de componentes armónicos.  Los niveles de distorsión podrían superar los lími- tes establecidos por la normativa vigente, pero no  alcanzarían valores muy excesivos. Palabras clave: Iluminación residencial, LED, LFC,  calidad de la energía, red de distribución. Abstract:  This paper analyzes the possible im- pact of a massive replacement of incandescent  lamps for power saving lamps -standing out  CFLs (Compact Fluorescent Lamps) and LEDs  (Light Emitting Diode) among them- on electric  distribution networks. It is expected that, in a  short or medium term, these emerging tech- nologies will replace the incandescent lamps,  inasmuch that since June 1, 2011, Argentina,  following rules implemented in other countries,  started banning the sale of incandescent lamps  of 25 W or greater. A residential distribution  network was modeled and simulated, and the in- fluence on the power quality indices of the pro- gressive increase of lamps with high harmonic  components was investigated. Distortion levels  could exceed the limits established by the regu- lations in force, but would not reach very exces- sive values. Keywords: Residential lighting, LED, LFC, Power  quality, Distribution network. impacto de la iluminación residencial  Eficiente en la Calidad de la Energía  de una red de Distribución Impact of Efficient Residential Lighting on  Power Quality of a Distribution Network Artículo de investigación científica - Fecha de Recepción: 23 de julio de 2014 - Fecha de Aceptación: 11 de noviembre de 2014  Jorge luis Strack Ingeniero Electromecánico. Universidad Nacional de Mar del Plata. Mar del Plata (Argentina). [email protected]  Juan antonio Suárez Ingeniero Electricista. Universidad Nacional de Mar del Plata. Mar del Plata (Argentina). [email protected] Guillermo Fabián Di Mauro ingeniero Electricista. Especialista en Seguridad laboral. Universidad Nacional de Mar del Plata. Mar del Plata  (Argentina). [email protected]  Susana Beatriz Jacob Magíster en recursos Naturales y Medio ambiente, ingeniera Electricista. Universidad Nacional de Mar del Plata.  Mar del Plata (Argentina). [email protected]   Para citar este artículo / to reference this article: J. Strack, J. Suárez, G. Di Mauro and S. Jacob, “Impacto de la Iluminación Residencial Eficiente en la Calidad de la  Energía de una red de Distribución,” IngE cuc, vol. 10, no. 2, pp. 9–19, 2014.  Artículo de Investigación Científica derivado del proyecto de investigación titulado “Calidad de la Energía Eléctrica” de la Universidad  Nacional de Mar del Plata (argentina), con vigencia 2012-2014 y 2014-2016.

10 IMPACTO DE LA ILUMINACIÓN RESIDENCIAL EFICIENTE EN LA CALIDAD DE LA ENERGÍA DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓN i.  n omenClatura A. prim.: arrollamiento primario A. sec: arrollamiento secundario AT: alta tensión ATP: alternative transients Program BT: baja tensión CS: coeficiente de simultaneidad E1, E2, E3: escenario 1, 2 y 3 respectivamente Ext. de línea: extremo de la línea de distribución en Bt FD: factor de disposición FFT: transformada rápida de Fourier FP: factor de potencia verdadero I: corriente Id.: identificación Isc: máxima corriente de cortocircuito en el PCC Im: máxima corriente demandada por la carga en el PCC Ifund: corriente fundamental In: armónico de corriente de orden n  Irms: corriente eficaz total LED: diodo emisor de luz LFC: lámpara fluorescente compacta MT: media tensión P: potencia activa PCC: punto de conexión común THDI: distorsión armónica total de corriente THDU: distorsión armónica total de tensión U: tensión Z: impedancia ii.  i ntroduCCión Desde fines de 2006, al menos 37 países (como Aus- tralia, Canadá, Colombia, Cuba, rusia y países de  la  Unión  Europea,  entre  otros)  han  fijado  políticas  tendientes a la prohibición de la producción, impor- tación y venta de lámparas incandescentes. otros  países, como China, están considerando su adopción  [1]. los países comprometidos con esta política repre- sentan la mayoría de las economías de la organiza- ción para la Cooperación y el Desarrollo Económico  (oCDE) y suman más de un tercio de la demanda  mundial de lámparas incandescentes.  En argentina, a partir del 1° de junio de 2011 se  ha implementado la ley Nº 26.473, que establece la  mencionada restricción, quedaron excluidas aquellas  lámparas cuya potencia es menor a 25 [W] o tensión  nominal menor a 50 [V], y las que ingresen al país en  carácter de importación temporaria y en tránsito [2]. Estas medidas implican que a mediano plazo la  iluminación residencial será provista principalmen- te por lámparas lFC y lED, y por las últimas, pro- bablemente en modo excluyente, en un futuro media- to. Como reemplazante cercano de la lámpara incan- descente se posiciona la lFC, la cual es capaz de pro- veer el mismo flujo lumínico con menor potencia ac- tiva, alrededor de una quinta parte. Esta ventaja se  contrapone con el nivel de corrientes armónicas que  estas lámparas inyectan a la red, de modo que una  alta concentración de ellas en un punto de la red pue- de ocasionar una deformación de la onda de tensión  más allá de los límites impuestos por las normas [3].  la iluminación residencial tuvo un gran avance  en los últimos 10 años, debido a la irrupción de nue- vas tecnologías que han ido modificando las particu- laridades de uso en el sector. Entre ellas se destacan  las lFC, que si bien están en el mercado argentino  desde hace varios años, aparecen en la actualidad  con una variedad creciente de modelos, potencias y  calidades que las hacen óptimas para reemplazar a  casi cualquier tipo de lámpara incandescente.  En los últimos años han tenido una gran difu- sión las lámparas lED, que buscan establecerse en  el mercado como una opción más. Este lugar será  conquistado, muy posiblemente, en pocos años, de- bido a un rendimiento lumínico en [lm/W] similar  a las lFC y que viene en constante aumento con las  nuevas tecnologías aplicadas. Si bien actualmente  su principal desventaja es su elevado costo, poseen  una larga vida útil de 25000 a 50000 horas según  la marca y modelo, frente a las 3000 a 10000 horas  de las lFC.  las lámparas lED además abarcan una amplia  gama de colores, que las hace muy atractivas para  crear efectos decorativos, y son “dimerizables”; esto  permite regular su intensidad lumínica de acuerdo  con la necesidad de uso, lo cual favorece el ahorro  energético.  Como resultado de importantes investigaciones  [4], conducidas por el Programa de iluminación de  Estado Sólido del Departamento de Energía de Es- tados Unidos, se concluye que el consumo de energía  de las lámparas lED y el impacto ambiental (ambos  evaluados durante todo su ciclo de vida en sus cuatro  fases: producción, transporte, uso y disposición final)  es considerablemente menor frente al de las lámpa- ras incandescentes y lFC. No obstante, si bien la tecnología lED presenta  muy buenas características lumínicas y ambientales,  al igual que las lFC, tienen un elevado contenido de  armónicos, con una distorsión armónica total de co- rriente (tHDi) en muchos casos superior al 100 %. ¿Cuál es la distribución actual de lámparas en  usuarios residenciales? No existen demasiados  antecedentes en la literatura técnica que den  respuestas a este interrogante; solo se cita en publi- caciones especializadas una encuesta, de hace ya al- gunos años, realizada en un número muy limitado de  hogares, por alumnos de la Universidad de Buenos  Aires, como parte de un proyecto final [5]. El impacto que provocará en las redes de distribu- ción el reemplazo progresivo de lámparas que poseen  características lineales por otras con alto contenido  de armónicos es un tema que preocupa a muchos in- vestigadores del área “Power Quality” (Calidad de la  Energía) [3], [6-10].

11 Inge CuC, Vol. 10, n° 2, pp 9-19, Diciembre, 2014  iii. d esCripCión   del  p royeCto En primer lugar se analizó el funcionamiento de  cargas no lineales de uso residencial, efectuando en- sayos en laboratorio de distintas lámparas de bajo  consumo (lFC y lED) existentes en el mercado ar- gentino. también se realizaron mediciones de cam- po en usuarios residenciales de diferentes electro- domésticos a fin de caracterizarlos y modelarlos en  el software atP (Alternative Transients Program),  programa no comercial de análisis de fenómenos  transitorios y electromagnéticos.  Por otro lado, se realizó una encuesta energética a  usuarios residenciales de la ciudad de Mar del Plata  con el fin de determinar la cantidad de lámparas por  usuario y su distribución por tipos (incandescentes,  halógenas, lFC, lED, etc.), potencias y horas de uso  [11-12]. De los datos del Sistema de información Geográ- fica (GIS) provistos por una empresa distribuidora  de energía eléctrica de la zona se modeló en el atP  una red de distribución urbana real en Media ten- sión (Mt). Sobre la base de la red propuesta se rea- lizó el análisis de la calidad del producto técnico al  incorporar masivamente lámparas con alto conteni- do armónico y otras cargas residenciales, evaluando  los niveles de distorsión armónica en corriente y ten- sión con la normativa vigente. las simulaciones se realizaron sobre tres escena- rios posibles, uno actual y dos futuros; en el primero  de ellos se considera la distribución actual de lámpa- ras. En el segundo se reemplazan las lámparas in- candescentes y halógenas por lámparas lFC, y en el  tercer escenario se reemplazan por lámparas lED.  En los tres escenarios se utilizaron las mismas car- gas para representar los equipos electrodomésticos. Por último se obtuvieron datos de mediciones en  subestaciones transformadoras que alimentan pre- ferentemente a usuarios residenciales y se compara- ron con los datos obtenidos en las simulaciones del  escenario 1 a fin de validar la metodología empleada  en el modelado de las cargas residenciales y de la  red y asegurar un grado de consistencia en las si- mulaciones.  iV. d esarrollo   del  p royeCto En la sección a se describe el proceso de ensayo y  modelado de lámparas y equipos electrodomésticos  y se presentan las principales magnitudes medidas  de algunos de ellos; en la sección B se sintetizan  los principales resultados de la encuesta energéti- ca realizada a usuarios residenciales, que fueron de  gran utilidad en el presente trabajo; en la sección  C se describe el proceso de modelado y simulación  de cargas residenciales; en la sección D se aborda el  modelado y simulación de la red de distribución; en  la sección E se hace un resumen de la normativa vi- gente a nivel nacional e internacional en lo que res- pecta a niveles de compatibilidad electromagnética  y límites de emisiones armónicas; por último, en la  sección F se presentan los resultados más relevantes  que remiten a las conclusiones de este trabajo. a. Ensayo y modelado de lámparas y equipos  electrodomésticos Se realizaron numerosos ensayos en laboratorio  de diversas lámparas LFC, LED, fluorescentes, di- croicas, e incandescentes asequibles en el mercado  argentino, y se hicieron mediciones de campo en  instalaciones residenciales sobre diversos equipos  electrodomésticos. Para este fin se utilizó un oscilos- copio Fluke 97, un osciloscopio Fluke 123, una pinza  amperométrica Prova 21 y una pinza transductora  Prova 15.  En las tablas i y ii se sintetizan los datos medidos  de corriente eficaz total, distorsión armónica total  de corriente respecto de la fundamental, potencia  activa y factor de potencia verdadero de algunas de  las lámparas lFC y lED ensayadas. t abla  i. p rinCipales   CaraCterístiCas   de   algunas   lFC  ensayadas  ( b . F .:  blanCo   Frío ;  b . C .:  blanCo   Cálido Lámparas  LFC Id. I [mA] THDI% P[W] FP(λ) 11W Espiral b.f. S1 61 91 9.5 0.71 11W 3U b.f. S3 76 86 11.8 0.72 18W 3U b.f. S5 116 86 18.2 0.72 18W Espiral  b.c. S7 117 92 17.6 0.70 11W Gota b.f. a7 68 102 9.9 0.67 15W Espiral  Mini b.f. a11 90 103 12.8 0.65 18W Mini 4U  b.f. a14 103 100 15.2 0.67 20W Standard  3U b.f. a22 131 101 19.4 0.67 20W Mini 4U  b.f. a26 142 103 20.2 0.65 20W Espiral  b.f. a28 127 91 19.4 0.70 24W Globo b.f. a30 125 130 16.3 0.59 26W Standard  3U b.f. a34 160 100 23.7 0.67 36W Standard  4U b.f. a36 233 111 32.2 0.63 22W 3U b.f. J1 55 61 9.0 0.75 20W 3U b.c. E1 71 88 10.8 0.70 13W 2U b.c. al1 78 86 12.0 0.70 13W 2U b.f. al2 53 87 8.1 0.70 20W 3U b.c. GE7 96 125 12.8 0.61 Fuente: autores.

12 IMPACTO DE LA ILUMINACIÓN RESIDENCIAL EFICIENTE EN LA CALIDAD DE LA ENERGÍA DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓN t abla  ii. p rinCipales   CaraCterístiCas   de   algunas  led  ensayadas Lámparas LED Id. I [mA] THDI % P[W] FP(λ) 12W b.c. 6 lED a1 80 141 9.3 0.54 8W b.c. 6 lED a11 60 125 7.7 0.60 7W b.f. 16 lED a13 55 135 6.4 0.53 4W b.f. 4 lED a16 43 168 4.7 0.53 10W b.c. 8 lED a21 43 52 6.5 0.71 12W b.c. 1 lED a23 97 152 10.7 0.51 15W b.c. 12 lED a25 67 9 13.5 0.92 9 W b.c. 3 lED G1 57 140 6.8 0.54 6 W b.f. 3 lED W1 51 137 6.5 0.59 1.7W b.f. 32 lED J1 18 39 1.3 - 1.5W b.f. 15 lED J5 21 27 0.9 - 1.7W b.c. 32 lED J7 42 26 2.2 - 1.3W b.c. 20 lED J8 21 31 1.2 - Fuente: autores. Se  ensayaron  en  total  59  lámparas  fluorescentes  compactas, 28 lámparas lED de alto rendimiento lumí- nico y 8 lámparas lED de bajo rendimiento lumínico.  Adicionalmente se realizaron ensayos de tubos fluo- rescentes, lámparas dicroicas, halógenas e incandes- centes. En todos los casos se ensayaron lámparas de  diversas marcas, modelos y colores de luz, con el fin de  observar cómo varían sus características eléctricas.  Se destaca que tanto las lámparas lFC como las lED  en general tienen una elevada distorsión armónica en  la corriente que inyectan a la red, superior al 86 % en  la gran mayoría de los modelos, y aalcanza valores de  hasta 130 % en las lFC y 168 % en las lED. En la tabla iii se sintetizan las principales magni- tudes eléctricas de los electrodomésticos ensayados. Se  observa que la gran mayoría genera armónicos de co- rriente elevados, debido a la creciente proliferación de  la electrónica de potencia en los mismos. Una vez capturadas las formas de onda de tensión y  corriente, se realizó la transformada rápida de Fou- rier (Fast Fourier Transform: FFT) en MATLAB a fin  de obtener las amplitudes y fases para modelar las car- gas residenciales ensayadas en el programa atP. t abla  iii. p rinCipales   CaraCterístiCas   de   los   eleCtrodoméstiCos Electrodoméstico Id. I [A] THDI % P[W] FP(λ) tV Crt 21” 2 0.378 150.5 46.2 0.55 tV Crt 14” 4 0.315 87.5 53.0 0.71 tV lCD 32” 5 0.500 11.3 107.0 0.98 Deco.tV dig.  7 0.065 140.2 8.1 0.57 Equipo audio 2  canales 8 0.113 41.0 19.7 0.80 lavarropas 9 1.470 4.0 300.0 0.91 Horno a microondas 10 4.950 35.6 980.0 0.92 Heladera c/freezer 11 1.720 13.3 160.0 0.42 Heladera s/freezer 13 1.001 7.00 125.2 0.57 Freezer 15 0.900 10.0 90.0 0.45 Monitor lCD 19” 17 0.259 121.6 35.7 0.63 CPU encendida 18 0.347 112.2 50.7 0.66 CPU grabando datos 18.1 0.578 127.6 76.6 0.62 Modem internet 19 0.080 31.2 10.9 0.62 router WiFi 20 0.053 60.0 9.4 0.79 Fuente: autores. Como muestra la Fig. 1, cada carga es modelada con  una impedancia recorrida por la corriente fundamental  y con fuentes de corrientes que inyectan las componen- tes armónicas a la red. I5 I7 I3 I9 .….. I21 Z1 Fig. 1. Modelo representativo de una carga residencial Fuente: autores. Para ilustrar el contenido armónico de las lámparas  y electrodomésticos ensayados se presentan a conti- nuación las formas de onda de tensión y corriente y los  espectros armónicos de corriente de una lámpara lED  (Figs. 2a y 2b); de una lámpara lFC (Figs. 3a y 3b);  de un televisor Crt (tubo de rayos Catódicos) de 21  pulgadas (Figs. 4a y 4b); de un televisor lCD (Display  de Cristal líquido) de 32 pulgadas (Figs. 5a y 5b); de  un horno microondas (Figs. 6a y 6b); y de una compu- tadora personal de escritorio (Figs. 7a y 7b).  En todas estas figuras se observa que la forma de  onda de la tensión es aproximadamente sinusoidal  pura, mientras que la corriente tiene una forma de  onda que dista mucho de una función sinusoidal. En  los espectros armónicos de la corriente de cada carga  se evidencia el elevado contenido de componentes ar- mónicos. -400 -200 0 200 400 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 0.005 0.01 0.015 0.02 I [mA]  U[V]  t[s]  LED A1- Forma de onda de tensión y corriente  Tensión Corriente Fig. 2a. Forma de onda de tensión y corriente de una lámpara lED Fuente: autores.

13 Inge CuC, Vol. 10, n° 2, pp 9-19, Diciembre, 2014  0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 50 25 0 45 0 65 0 85 0 1050 1250 1450 1650 1850 2050 2250 2450 Irms[mA]  f[Hz]  LED A1 - Espectro armónico de la corriente  Fig. 2b. Espectro armónico de la corriente de una lámpara lED Fuente: autores. -450 -300 -150 0 150 300 450 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 0.005 0.01 0.015 0.02 I [mA]  U[V]  t[s]  LFC 7 - Forma de onda de tensión y corriente  Tensión Corriente Fig. 3a. Forma de onda de tensión y corriente de una lámpara lFC Fuente: autores. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 50 25 0 45 0 65 0 85 0 1050 1250 1450 1650 1850 2050 2250 2450 Irms[mA]  f[Hz]  LFC 7 - Espectro armónico de la corriente  Fig. 3b. Espectro armónico de la corriente de una lámpara lFC Fuente: autores. -1000 -500 0 500 1000 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 0.005 0.01 0.015 0.02 I [mA]  U[V]  t[s]  TV CRT 21" - Forma de onda de tensión y corriente  Tensión Corriente Fig. 4a. Forma de onda de tensión y corriente de un tV Crt de 21” Fuente: autores. 0 50 100 150 200 250 50 25 0 45 0 65 0 85 0 1050 1250 1450 1650 1850 2050 2250 2450 Irms[mA]  f[Hz]  TV CRT 21" - Espectro armónico de la corriente  Fig. 4b. Espectro armónico de la corriente de un tV Crt de 21” Fuente: autores. -600 -300 0 300 600 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 0.005 0.01 0.015 0.02 I [mA]  U[V]  t[s]  TV LCD 32" - Forma de onda de tensión y corriente  Tensión Corriente Fig. 5a. Forma de onda de tensión y corriente de un tV lCD de 32”  Fuente: autores. 0 40 80 120 160 200 240 280 320 50 25 0 45 0 65 0 85 0 1050 1250 1450 1650 1850 2050 2250 2450 Irms[mA]  f[Hz]  TV LCD 32" - Espectro armónico de la corriente  Fig. 5b. Espectro armónico de la corriente de un tV lCD de 32” Fuente: autores. -10 -5 0 5 10 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 0.005 0.01 0.015 0.02 I [A]  U[V]  t[s]  Horno Microondas - Forma de onda de   tensión y corriente  Tensión Corriente Fig. 6a. Forma de onda de tensión y corriente de un horno microondas Fuente: autores.

14 IMPACTO DE LA ILUMINACIÓN RESIDENCIAL EFICIENTE EN LA CALIDAD DE LA ENERGÍA DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓN 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 50 25 0 45 0 65 0 85 0 1050 1250 1450 1650 1850 2050 2250 2450 Irms[A]  f[Hz]  Horno Microondas - Espectro armónico   de la corriente  Fig. 6b. Espectro armónico de la corriente de un microondas  Fuente: autores. -2500 -1500 -500 500 1500 2500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 0.005 0.01 0.015 0.02 I [mA]  U[V]  t[s]  CPU + LCD 19" - Forma de onda de   tensión y corriente  Tensión Corriente Fig. 7a. Forma de onda de tensión y corriente de una  computadora personal de escritorio (CPU + lCD de 19”) Fuente: autores. 0 100 200 300 400 500 600 50 25 0 45 0 65 0 85 0 1050 1250 1450 1650 1850 2050 2250 2450 Irms[mA]  f[Hz]  CPU + LCD 19" - Espectro armónico de la corriente  Fig. 7b. Espectro armónico de la corriente de una  computadora personal de escritorio (CPU + lCD de 19”) Fuente: autores. b. Encuesta energética a usuarios residenciales Hacia mitad de 2012 se realizó una encuesta en 61  hogares de la Ciudad de Mar del Plata, cuya catego- ría tarifaria es t1r-residencial (menos de 10 kW  de demanda) en el 100 % de los usuarios. la encues- ta fue realizada por el Grupo de investigación lat  (laboratorio de alta tensión), perteneciente al De- partamento de ingeniería Eléctrica de la Facultad  de ingeniería de la Universidad Nacional de Mar  del Plata, con el propósito de obtener información  que permita desarrollar trabajos sobre calidad de  la energía, eficiencia energética y uso racional de la  energía [11-12]. la misma fue entregada a cada uno  de los 61 usuarios encuestados y completada en su  domicilio durante aproximadamente una semana.  Se relevó información acerca de: •  Tipo de vivienda y superficie de la misma. •  Cantidad de habitantes. •  Características de las lámparas y su uso. •  Características de los electrodomésticos y su uso. •  Conocimiento sobre contaminación de las lFC  desechadas y destino final de las mismas. •  Consumo bimestral a lo largo del año leído en la  factura del suministro de energía eléctrica. •  Nivel educacional de los habitantes. •  Conocimiento sobre ahorro energético. Resultados principales utilizados en este trabajo: El consumo promedio anual es de 170 [kWh/mes]. El  relevamiento dio un total de 1258 lámparas, 41679  [W], distribuidas de acuerdo con las gráficas de las  Figs. 8 y 9. Fig. 8. Distribución de lámparas en instalaciones residenciales Fuente: autores. Fig. 9. Distribución de potencias de lámparas en  instalaciones residenciales Fuente: autores. c. Modelado y simulación de las cargas residenciales Con la encuesta se determinó la cantidad, potencia,  tipo de lámparas, electrodomésticos y horas de uso  en un usuario residencial promedio. Con los datos  obtenidos se realizó un análisis de la carga residen- cial durante el periodo comprendido entre las 19 y  22 hs, horario de mayor carga [13], planteando tres 

15 Inge CuC, Vol. 10, n° 2, pp 9-19, Diciembre, 2014  escenarios uno con la distribución actual de lámpa- ras combinadas con electrodomésticos y dos escena- rios futuros, tal como se describió en el apartado ii.  Determinación de la carga de iluminación En los tres escenarios se consideró un coeficiente de  simultaneidad de iluminación para un usuario pro- medio igual a 0.5, entre las 19 y 22 hs. En función  de las potencias nominales comerciales se adoptó la  siguiente distribución: Escenario 1: •  incandescentes: (1x100+1x60+1x40+1x25)  [W] •  Halógenas: (1x70+1x42)  [W] •  lFC: (1x36+1x26+1x20+1x18+1x15+4x11)  [W] •  Tubos fluorescentes: (1x40+1x20)  [W] •  Dicroicas: (2x50+1x20)  [W] •  lED: 1x7  [W] Escenario 2: •  lFC: (1x36+1x26+3x20+1x18+3x15+9x11)  [W] •  Tubos fluorescentes: (1x40+1x20)  [W]  •  lED: 1x7  [W] Escenario 3: •  lED: (27x7+3x12+3x4)  [W] Determinación de la carga de equipos domésticos De los datos de la encuesta se determinó, para cada  equipo electrodoméstico, un factor de disposición  (FD) asociado a la cantidad de electrodomésticos  que posee cada usuario promedio y un coeficiente de  simultaneidad (CS) que representa qué proporción  de equipos están conectados a la red en forma concu- rrente. En la tabla iV se presenta la distribución de  electrodomésticos en una vivienda media. T abla  IV. d istribuCión   de   eleCtrodoméstiCos   en   una   ViVienda   media   Electrodoméstico Factor de  disposición  (FD) Coeficiente de  simultaneidad  (CS) Cantidad  c/10  usuarios tV Crt 21” 1.57 0.50 8 tV lCD 32” 0.51 0.50 3 radio-grabador  chico 0.61 0.15 1 lavarropas aut.  med. 0.92 0.10 1 Microondas de 20 lt. 0.76 0.30 2 Heladera c/freezer 0.91 0.70 6 Heladera s/freezer 0.09 0.70 1 PC de escritorio 0.93 0.45 4 Monitor lCD 19” 0.49 0.45 2 Monitor Crt 17” 0.44 0.45 2 Cargador  Netbook14” 0.64 0.30 2 Fuente: autores. Una vez determinadas las cargas de iluminación  y electrodomésticos de un usuario medio, se simula- ron en el programa ATP, y se obtuvieron los gráficos  de las Figs. 10a, 10b y 10c, que muestran las formas  de onda de tensión y corriente de los escenarios 1,  2 y 3. -10 -5 0 5 10 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 0.005 0.01 0.015 0.02 I[A]  U[V]  t[s]  Usuario medio - Escenario 1  Forma de onda de tensión y corriente   U I electrodomésticos I iluminación I total Fig. 10a. Forma de onda de tensión y corriente de un  usuario medio correspondiente al escenario 1 Fuente: autores. -10 -5 0 5 10 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 0.005 0.01 0.015 0.02 I[A]  U[V]  t[s]  Usuario medio - Escenario 2  Forma de onda de tensión y corriente  U I electrodomésticos I iluminación I total Fig. 10b. Forma de onda de tensión y corriente de un  usuario medio correspondiente al escenario 2 Fuente: autores. -10 -5 0 5 10 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 0.005 0.01 0.015 0.02 I[A]  U[V]  t[s]  Usuario medio - Escenario 3  Forma de onda de tensión y corriente  U I electrodomésticos I iluminación I total Fig. 10c. Forma de onda de tensión y corriente de  un usuario medio correspondiente al escenario 3 Fuente: autores. En la tabla V se describen los valores de corriente  y distorsión armónica de un usuario medio para los  tres escenarios. Se observa que al reemplazar las  lámparas convencionales por lFC (escenario 2) y 

16 IMPACTO DE LA ILUMINACIÓN RESIDENCIAL EFICIENTE EN LA CALIDAD DE LA ENERGÍA DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓN por lED (escenario 3), la corriente en iluminación  y total de la instalación disminuyen, debido a la re- ducción de potencia activa. Por otro lado, se incre- menta ampliamente la distorsión armónica por las  características no lineales de este tipo de lámparas. T abla  V.C omparaCión   de   los   tres   esCenarios ESCENARIO 1 Electrodomésticos iluminación total tHDi (f) % 23.74 25.97 19.07 irms [a] 3.46 1.43 4.83 ifund. [a] 3.36 1.39 4.74 ESCENARIO 2 Electrodomésticos iluminación total tHDi (f) % 23.74 80.74 25.60 irms [a] 3.46 0.95 4.23 ifund. [a] 3.36 0.74 4.10 ESCENARIO 3 Electrodomésticos iluminación total tHDi (f) % 23.74 129.52 27.06 irms [a] 3.46 0.90 3.88 ifund. [a] 3.36 0.55 3.75 Fuente: autores. d. Modelado y simulación de la red de distribución Para analizar el impacto de las cargas residenciales  no lineales se modeló un tramo de una red real de  distribución de energía eléctrica urbana, cuya carga  es preferentemente residencial. El mismo consta de  un alimentador radial de Media tensión (Mt) que  alimenta a 11 estaciones transformadoras que re- ducen a Baja tensión (Bt) y alimentan a una gran  cantidad de usuarios residenciales. En la Fig. 11 se  presenta un diagrama unifilar simplificado del tra- mo de red. todos los datos de la red y más detalles  de la simulación se encuentran en [14]. luego de modelar la red y sus cargas en cada es- cenario  se  configuraron  los  parámetros  de  simula- ción del programa atP para ejecutar la misma en el  dominio del tiempo. T0 T1 T2 T3 T4 T6 T5 T7 T8 T9 T10 T11 RED AT RED MT T0 T T1T2T3T4T5T6T7T8T9 T10T11 P[KVA] 15000 315250400250400400315315160100 80 Up/Us[KV] 132/13.8 y/d 13.2/0.4 d/y13.2/0.4 d/y13.2/0.4 d/y13.2/0.4 d/y13.2/0.4 d/y13.2/0.4 d/y13.2/0.4 d/y13.2/0.4 d/y13.2/0.4 d/y13.2/0.4 d/y13.2/0.4 d/y T T1T2T3T4T5T6T7T8T9 T10T11 usuarios 500400600400600600500500200100100 usuarios simultáneos 300240360240360360300300120 6060 : Transformador : Impedancia de la línea corta Fig. 11. Diagrama unifilar reducido de la red analizada  Fuente: autores. E. Resumen de la normativa vigente La norma europea IEC 61000-3-6/06 especifica ni- veles de compatibilidad electromagnética (CEM) de  armónicos de tensión en redes de baja, media y alta  tensión. los niveles de compatibilidad son valores  de referencia para coordinar la emisión e inmuni- dad del equipo que es parte de una red o alimentado  por la misma, con el propósito de garantizar la CEM  del sistema completo, incluyendo la red y los equipos  conectados. La norma norteamericana IEEE 519/92 fija lími- tes de distorsión de tensión en distribuidores y lími- tes de distorsión de corriente para la inyección a la  red de armónicos de corriente por parte de usuarios  individuales conectados a la misma.  a nivel nacional, en argentina, el marco legal  está conformado por la ley de Energía Eléctrica  24065/92, el Decreto reglamentario 1398/92 y las  resoluciones del Ente Nacional regulador de la  Electricidad (ENrE) 99/97 y 184/00. los límites  de emisión establecidos en varios países de américa  latina, incluida argentina, parece ser el producto  de una adaptación de la norma europea 61000-3-6. En la tabla Vi se sintetizan los niveles de com- patibilidad electromagnética y límites de emisiones  armónicas que se aplican a la red que se estudia en  este trabajo, de acuerdo con la normativa menciona- da. T abla  VI. n iVeles   de   Compatibilidad   eleCtromagnétiCa   y   límites   de   emisiones   armóniCas   según   la   normatiVa   Vigente Normativa tHDU% tHDi% Bt y Mt at Bt y Mt at iEC 61000-3-6 8 3 - - iEEE 519 5 2,5 12 6 res. ENrE 99/97 - - 20 12 res. ENrE 184/00 8 3 - - Fuente: autores.

17 Inge CuC, Vol. 10, n° 2, pp 9-19, Diciembre, 2014  f. Resultados Principales En la Fig. 12 se graficó el THDI de cada transforma- dor en el lado primario y secundario en los tres esce- narios, y los límites de emisiones armónicas según la  normativa vigente nacional e internacional. De los resultados de las simulaciones surge que en  el escenario 1, en el primario y secundario de todos  los transformadores, el tHDi está por debajo de los  límites máximos del 12 % en líneas de alta tensión  y 20 % en líneas de media y baja tensión exigidos  por la resolución 99/97 del ENrE a nivel nacional;  mientras que en los secundarios de todos los trans- formadores Mt/Bt, el tHDi supera el límite de 12  % en líneas de baja tensión, exigido por la Norma  iEEE 519 a nivel internacional, la cual es más con- servadora. En el escenario 2 solo en el secundario de los  transformadores Mt/Bt t10 y t11, el tHDi está por  encima del límite máximo del 20 % en líneas de baja  tensión, exigido por la resolución 99/97 del ENrE a  nivel nacional; mientras que en los secundarios de  todos los transformadores Mt/Bt el tHDi supera  el límite máximo de 12 % en líneas de baja tensión,  exigido por la norma iEEE 519 a nivel internacional. En el escenario 3 solo en el secundario de los  transformadores Mt/Bt t9, t10 y t11, el tHDi  está por encima del límite máximo del 20 % en lí- neas de baja tensión, exigido por la resolución 99/97  del ENrE a nivel nacional; mientras que en el pri- mario del transformador at/Mt t0, el tHDi está  por encima del límite máximo del 6 % en líneas de  alta tensión, exigido por la norma iEEE 519 a ni- vel internacional. Y en los secundarios de todos los  transformadores Mt/Bt, el tHDi supera el límite  máximo del 12 % en líneas de baja tensión, exigido  por la misma norma.  En la Fig. 13 se graficó el THDU de cada transfor- mador en el lado primario, secundario y extremo de  línea en los tres escenarios y los niveles de compati- bilidad según la normativa vigente. Se concluye que en el escenario 1 (electrodomésti- cos y lámparas de distintos tipos, según la distribu- ción actual) solo en el extremo de línea del transfor- mador Mt/Bt t1, el tHDU supera el nivel máximo  del 8 % en líneas de baja tensión, exigido por la reso- lución 184/00 del ENrE a nivel nacional y de la nor- ma iEC 61000-3-6 a nivel internacional; mientras  que en los extremos de línea de los transformadores  Mt/Bt t1-t9, el tHDU supera el nivel máximo del  5 % en líneas de baja tensión, exigido por la norma  iEEE 519 a nivel internacional, la cual es más con- servadora. En el escenario 2 (los mismos electrodomésticos  del escenario 1 y todas las lámparas convencionales  reemplazadas  por  lámparas  fluorescentes  compac- tas), en los extremos de línea de los transformadores  Mt/Bt t1, t3, t7 y t8, el tHDU supera el nivel  máximo del 8 % en líneas de baja tensión, exigido por  la resolución 184/00 del ENrE a nivel nacional y de  la norma iEC 61000-3-6 a nivel internacional; mien- tras que en los extremos de línea de todos los trans- formadores Mt/Bt, excepto t10, el tHDU supera el  nivel máximo del 5% en líneas de baja tensión, exi- gido por la Norma iEEE 519 a nivel internacional. En el escenario 3 (los mismos electrodomésticos  del escenario 1 y todas las lámparas convencionales  reemplazadas por lámparas lED), en los extremos  de línea de todos los transformadores Mt/Bt, excep- to t10 y t11, el tHDU supera el nivel máximo del 8  % en líneas de baja tensión, exigido por la resolución  184/00 del ENrE a nivel nacional y de la norma iEC  61000-3-6 a nivel internacional; mientras que en los  extremos de línea de todos los transformadores Mt/ Bt, y en los secundarios de todos los transformado- res Mt/Bt, excepto t10, el tHDU supera el nivel  máximo del 5 % en líneas de baja tensión, exigido por  la norma iEEE 519 a nivel internacional. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 THDif  %  E1- A. PrimE1- A. Sec.E2- A. PrimE2- A. Sec.E3- A. PrimE3- A. Sec.ENRE 99/97 (BT-MT)ENRE 99/97 (AT)IEEE 519 (AT - Isc/Im 50)IEEE 519 (BT-MT - Isc/Im  50) Fig. 12. tHDi en cada transformador y valores límites Fuente: autores. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 THDuf  %  E1- A. PrimE1- A. Sec.E1- Ext. de líneaE2- A. PrimE2- A. Sec.E2- Ext. de líneaE3- A. PrimE3- A. Sec.E3- Ext. de líneaIEC 61000-3-6 - ENRE 184/00 (BT-MT)IEC 61000-3-6 - ENRE 184/00 (AT)IEEE 519 (BT-MT)IEEE 519 (AT) Fig. 13. tHDU en cada transformador y valores límites Fuente: autores. g. Validación de las simulaciones Se obtuvieron datos de mediciones en subestaciones  transformadoras que alimentan preferentemente a  usuarios residenciales y se compararon con los datos 

18 IMPACTO DE LA ILUMINACIÓN RESIDENCIAL EFICIENTE EN LA CALIDAD DE LA ENERGÍA DE UNA RED DE DISTRIBUCIÓN obtenidos en las simulaciones del escenario actual  (escenario 1) a fin de validar la metodología emplea- da en el modelado de las cargas residenciales y de la  red y asegurar un suficiente grado de consistencia  en las simulaciones. En la Fig. 14 se observa el perfil de potencia acti- va registrado a lo largo de una semana. En la Fig. 15  se muestra la evolución de la corriente fundamental  en la fase 1 a lo largo de un día. la máxima corrien- te se da entre las 21.00 y 23.00 hs, parte de la ban- da horaria en la que se realizaron las simulaciones  (19.00- 23.00hs).  100000 90000 80000 70000 W 60000 50000 40000 30000 Fri 3 Sat 4 Sun 5 Mon 6 Tue 7 Wed 8 Thu 9 Fri 10 Sat 11 Fig. 14. Perfil de potencia activa en la subestación  transformadora registrada a lo largo de una semana Fuente: autores. 450 400 350 300 A 250 200 150 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 Thu 9 3:00 Fig. 15. Variación de la componente fundamental  de corriente en la fase 1 a lo largo de un día Fuente: autores. En la Fig. 16 se graficó la evolución de los compo- nentes armónicos 3, 5 y 7 de la fase 1 en la banda  horaria de 15.00 a 6.00 hs. Se observa que en la ban- da horaria comprendida entre las 19.00 y 23.00 hs: •  El tercer armónico de corriente varía entre 10 y  12 % de la corriente fundamental, mientras que  en la simulación del escenario 1 varía entre 12.02  y 14.95 % en los 11 transformadores de la red. •  El quinto armónico de corriente varía entre el 2  y 6 % de la corriente fundamental, mientras que  en la simulación del escenario 1 varía entre 2.50  y 2.59 % en los 11 transformadores.  •  El séptimo armónico de corriente varía entre un  1.8 y 2.2 % de la corriente fundamental. En la  simulación del escenario 1 varía entre 0.91 y 0.95  % en los 11 transformadores. En la Fig. 17 se aprecia la variación del tHDi en  las tres fases entre las 11:00 y 7:00 hs. Si se analiza  la banda horaria de 19.00 a 23.00 hs, se observa  que: •  El tHDi toma valores comprendidos en el inter- valo 9 – 14 % aproximadamente, mientras que en  la simulación del escenario 1 el tHDi varía entre  un 12.49 y 15.38 % en los 11 transformadores de  la red.  Armónico I3 14 12 10 8 6 I% 4 2 0 15:00 18:00 21:00 Thu 9 3:00 Armónico I5 Armónico I7 Fig. 16. Evolución de los componentes armónicos 3, 5  y 7 en la banda horaria 15:00 - 6:00 hs de la fase 1 Fuente: autores. %I L1 16 14 12 10 8 6 %I  TH D 4 2 0 12:00 15:00 18:00 21:00 Wed 8 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 Thu 9 3:00 6:00 %I L2 %I L3 Fig. 17. Variación del tHDi en las tres fases entre las 11:00 y 7:00 hs  Fuente: autores. Por la similitud entre los resultados obtenidos en  la simulación del escenario 1 y las mediciones rea- lizadas en subestaciones transformadoras que ali- mentan preferentemente a usuarios residenciales,  se concluye que el modelado de las cargas residen- ciales y de la red es consistente. V.  C onClusiones la potencia actualmente dedicada a la iluminación  residencial se reduce significativamente si todas las  lámparas se sustituyen por lámparas lFC, y aun  más si se reemplazan por las de tecnología lED, de- bido a su gran eficiencia energética.  El nivel de tHDi en las lámparas lFC y lED,  y en los electrodomésticos, es muy variable, depen- diendo de la marca, modelo y potencia de la unidad,  pero en general son niveles de distorsión elevados,  debido a la proliferación de la electrónica de poten- cia en estos tipos de tecnologías. En las lFC se han  medido valores de tHDi que varían desde 61 hasta  130 %; en las lED valores desde 9 hasta 168 %, y en  los electrodomésticos, valores desde 4 hasta 150 %. Si bien los valores individuales de tHDi en lám- paras lFC, lámparas lED y electrodomésticos  es elevado, los valores de tHDi resultantes de la  combinación de dichas cargas son menores (alcan-

19 Inge CuC, Vol. 10, n° 2, pp 9-19, Diciembre, 2014  za valores de 19.07 %, 25.60 % y 27.06 %) para un  usuario residencial promedio correspondientes a los  escenarios 1, 2 y 3, respectivamente. Esto se debe a  la variedad de las amplitudes y ángulos de fase de  cada armónico, y se conoce como efecto diversidad. En las simulaciones de la red de distribución  se obtuvo una distorsión armónica de corriente  (tHDi) de hasta 15.4 %, 20.7 % y 21.2 %, que se da  en las líneas de baja tensión en los escenarios 1, 2  y 3 respectivos. Estos valores son menores que los  de un usuario individual, debido al efecto de ate- nuación de corrientes armónicas que se produce en  las redes cuando hay una gran cantidad de cargas  conectadas, debido a la distorsión de tensión que se  produce por la propia impedancia de cortocircuito  de las líneas y transformadores. Esta distorsión de  tensión (tHDU) alcanzó valores de 8.6%, 10.8 % y  12.0 % en los extremos de línea más alejados de los  trasformadores Mt/Bt de los tres escenarios res- pectivos. Con respecto a la normativa vigente, se observa  que en los tres escenarios, en algunos puntos de la  red se superan los límites de alguna de las normas,  tanto en distorsión de tensión como de corriente.  En el escenario 2 se alcanzan distorsiones mayores  que en el 1, y en el 3 se alcanzan distorsiones aun  mayores que en el escenario 2. Si bien en la reali- dad los factores de diversidad y atenuación pueden  ser mayores y, en consecuencia, atenuarse aun más  las tasas de distorsión, es posible que en un futuro  no tan lejano, si se realiza un reemplazo masivo de  lámparas incandescentes y halógenas por lámparas  lFC y lED, se excedan los límites en valores tales,  que justifiquen la implementación de filtros que mi- tiguen los efectos nocivos de los armónicos en las  redes de distribución. aun así, los niveles de distor- sión de tensión y corriente, si bien podrían superar  los límites establecidos por la normativa vigente, no  alcanzarían valores muy excesivos, por los motivos  mencionados. Finalmente, las distorsiones medidas en subesta- ciones reales durante la banda horaria 19-23hs son  similares a las obtenidas en la simulación del esce- nario 1, el cual representa la situación de carga ac- tual en dicho periodo de tiempo. Con esto se verifica  que los datos de la encuesta energética, los ensayos  de laboratorio y las simulaciones son consistentes. a gradeCimientos   Se agradece a la Universidad Nacional de Mar del  Plata,  Argentina,  por  financiar  este  trabajo  por  medio de una Beca de investigación de Estudiante  avanzado. r eFerenCias   [1]  P. Waide, “Phase out of incandescent lamps: implica- tions for international Supply and Demand for regula- tory Compliant lamps”, EA Energy Papers, vol. 2010/05,  apr. 2010. Doi: 10.1787/5kmh3nhp62s0-en [2]  ley 26.473, “importaciones. lámparas incandescentes.  Prohibición”; y Decreto 2060/2010 de la república argen- tina. Disponible en: www.infoleg.gov.ar  [3]  D. Pileggi, E. Gulachenski, C. root, t. Gentile, and a.  Emanuel,  “Effect  of  modern  compact  fluorescent  lights  on voltage distortion”, IEEE Transactions on Power De- livery. vol. 8, n° 3, pp. 1451-1459, 1993. [4]  U. S. Department of Energy. 2012, .life-Cycle assessment  of Energy and Environmental impacts of lED lighting  Products. Part 1: review of the life-Cycle Energy Con- sumption of incandescent, Compact Fluorescent and lED  lamps. available: http://apps1.eere.energy.gov/buildings/ publications/pdfs/ssl/2012_lED_lifecycle_report.pdf [5]  C. Tanides y H. Iglesias Furfaro, “Iluminación Eficiente  en el Sector residencial argentino: Evolución y Perspec- tivas Futuras”, Avances en Energías Renovables y Medio  Ambiente. vol. 14, pp. 07.55-07.60, 2010. [6]  a. Khan, r. Dwyer, and M. McGranaghan, “Evaluation  of Harmonic impacts from Compact Fluorescent lights  on Distribution Systems”, IEEE Transactions On Power  Delivery, vol. 10, n° 4, November 1995. [7]  V. Cuk, J. F. G. Cobben, W. l. Kling, and r. B. timens,  “an analysis of diversity factors applied to harmonic  emission limits for energy saving lamps”, in Proceedings  of 14 th  International Conference on Harmonics and Quali- ty of Power - iCHQP 2010, pp. 1-6. [8]  a. M. Blanco and E. E. Parra, “Effects of high penetration  of CFlS and lEDS on the distribution networks,” in Pro- ceedings  of  14 th   International  Conference  on  Harmonics  and Quality of Power-iCHQP, 2010, pp. 1–5. [9]  S. K. rönnberg, M. H. J. Bollen, and M. Wahlberg, “Har- monic emission before and after changing to lED and  CFl - Part i: laboratory measurements for a domestic  customer”, in Proceedings of 14th International Conferen- ce on Harmonics and Quality of Power - iCHQP, 2010, pp.  1-7. [10]  a. Gil-de-Castro, S. ronnberg, M. H. J. Bollen, a. Mo- reno-Munoz, and V. Pallares-lopez, “Harmonics from  a domestic customer with different lamp technologies”,  in  Proceedings  of  15 th   International  Conference  on  Har- monics  and  Quality  of  Power  - iCHQP, 2012, pp. 585- 590.  [11]  S. Jacob, J. Strack, J. Branda y J. Suárez, “Evaluación  del Consumo Eléctrico en el Sector residencial de Mar  del Plata. Propuestas de Ahorro y Eficiencia Energética”,  Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, vol.  16, pp. 06.65-06.72. 2012. [12]  S. Jacob, J. Strack, J. Branda, G. Murcia y J. Suárez,  “Evaluación del Consumo Eléctrico en el Sector residen- cial de Mar del Plata. aspectos Económicos y ambienta- les”, Avances en Energías renovables y Medio ambiente,  vol. 1, pp. 01.91-01.98, 2013. [13]  C. tanides, “auditorías Energéticas de la iluminación  residencial”, Manual  de  Iluminación  Eficiente, cap. 14.  argentina: UtN y Eli argentina. 2002.  [14]  J. l Strack, Lámparas  bajo  consumo:  análisis  armóni- co  y  su  impacto  en  los  sistemas  eléctricos  de  potencia.  Mar del Plata: Editorial Suárez, 2013. Disponible en:  http://www3.fi.mdp.edu.ar/electrica/archivos/TesisJLS- traCK.pdf