Lineas de Transmision

Compensación Reactiva en Sistemas de Transmisión

Roberto Ramírez Arcelles

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44.. EEQQUUIIPPOOSS DDEE CCOOMMPPEENNSSAACCIIÓÓNN RREEAACCTTIIVVAA 44..11 FFUUEENNTTEESS DDEE PPOOTTEENNCCIIAA RREEAACCTTIIVVAA La potencia reactiva es producida o absorbida por todos los componentes de un sistema de potencia: generadores, transformadores, líneas de transmisión, cargas y equipos de compensación. 44..11..11 GGEENNEERRAADDOORREESS Los generadores suministran potencia activa al sistema y sostienen su tensión mediante la producción de reactivos, cuando están sobreexcitados, o absorbiéndolos cuando operan subexcitados. El factor de potencia de los generadores esta normalmente en el rango de 0.75 a 0.95. Generadores hidráulicos instalados a una gran distancia de los centros de carga usualmente tienen alto factor de potencia; mientras que los que están cerca de las cargas o conforman un sistema aislado, deben tener un factor de potencia bajo. La capacidad de suministrar o absorber potencia reactiva en forma continua está limitada por la corriente de armadura, la corriente de campo y el calentamiento en el núcleo en las cercanías de las cabezas de bobina del estator, provocado por el flujo de dispersión en la condición de subexcitación. El generador síncrono esta equipado con un regulador automático de tensión que continuamente ajusta la excitación y de ese modo controla la tensión en bornes a un valor consigna. Diagrama P-Q del Generador Síncrono En la Figura 1 se muestra una curva típica de capabilidad. La región sobreexcitada es la parte superior, que es un conjunto de puntos de la solución iterativa de la ecuación de carga para un valor dado de P (MW), operando a tensión constante, resultando una determinada potencia reactiva Q (MVAr), que representa una determinada corriente de excitación. La porción de curva 1-2 (Field Heating Limit) corresponde a la operación con potencia activa variable desde el valor nominal (punto 2) hasta la condición de mínima carga, con una corriente de excitación constante e igual a la corriente de excitación nominal (IFFL), que es la corriente de excitación cuando el generador opera a potencia aparente, factor de potencia y tensión nominales, con lo cual la corriente de armadura también es la nominal (IaFL). La corriente de campo limite se basa en el perfil de temperatura del campo en operación continua. Por lo tanto, como en todos estos puntos de la curva 1-2 no se supera la corriente límite de calentamiento del devanado de excitación ( Field Heating Limit), el generador puede operar a tensión constante, disminuyendo la potencia activa desde el punto 2 (potencia activa y reactiva nominales) hasta que la potencia activa sea el mínimo técnico de la unidad y esta entregue su máxima potencia reactiva (1’).



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44..11..22 TTRRAANNSSFFOORRMMAADDOORREESS El consumo de potencia reactiva de un transformador operando a corriente nominal esta normalmente entre 0.05 y 0.20 p.u. de su potencia aparente nominal. Este consumo es para magnetizar el núcleo del transformador (reactancia magnetizante) y compensar el efecto del flujo de dispersión (reactancia de cortocircuito). Los valores bajos son para transformadores pequeños y los altos para grandes transformadores 44..11..33 LLIINNEEAASS DDEE TTRRAANNSSMMIISSIIOONN La carga de una línea de transmisión varía entre 0.05 a 1 MVAR/km. para líneas de 138 a 500 kV. La potencia reactiva consumida por las líneas depende de la condición de potencia transmitida, iguala a la carga de la línea al transmitirse la potencia natural, la cual se encuentra entre 45 y 1000 MW para líneas de 138 a 500 kV. 44..11..44 CCAARRGGAASS Las cargas absorben potencia reactiva. Una barra de carga típica en una subestación de un sistema de potencia esta compuesta por un gran número de aparatos de consumo.



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Tanto la potencia activa como la reactiva consumida presentan dependencia con la tensión. En ese sentido normalmente las cargas provocan caídas de tensión. Las únicas cargas industriales que presentan la opción de inyectar potencia reactiva son los motores síncronos, los cuales al ser sobreexcitados presentan factores de potencia en adelanto. El compensador síncrono es un motor síncrono sin carga que tiene regulador de tensión. 44..22 EEQQUUIIPPOOSS DDEE CCOOMMPPEENNSSAACCIIOONN RREEAACCTTIIVVAA Los capacitores y reactores son “elementos pasivos de compensación reactiva”, que están incorporados al sistema en conexión serie o paralelo. El “capacitor serie” es especialmente utilizado para disminuir el ángulo de transmisión e incrementar la tensión en el terminal de recepción de la línea. El grado de compensación debe ser normalmente del orden del 50% para evitar el fenómeno de la resonancia subsincrona, problemas con los relés de protección, etc. Se han realizado avances y propuestas en cuanto a cambiar el grado de compensación mediante la conexión o desconexión de parte de los capacitores mediante tiristores. Un reactor serie no presenta ventajas que influyan en la tensión de recepción, es solamente utilizado para limitar la corriente de cortocircuito en sistemas distribución e industriales. La compensación con “capacitores “shunt”” es principalmente utilizada para incrementar la tensión de recepción en casos de máxima demanda y para suministrar potencia reactiva directamente a las cargas. Con su conexión se reducen las pérdidas de transmisión. La utilización de “reactores “shunt”” es principalmente destinada para disminuir las tensiones en las condiciones de carga ligera o rechazos de carga, compensando la carga capacitiva de la línea. Un compensador estático de potencia reactiva puede producir o absorber potencia reactiva o ambas opciones alternativamente dependiendo del tipo de diseño. Cuando se incluye un reactor controlado por tiristores es posible lograr un control fino de la tensión. 44..22..11 RREEAACCTTOORREESS ““ SSHHUUNNTT”” Es el medio más económico que se dispone para la absorción de potencia reactiva, pudiendo estar conectado en el extremo de llegada de una línea de transmisión y maniobrado mecánicamente o mediante el disparo de un interruptor con la señal de un relé de tensión. Se utiliza para compensar los efectos de la capacitancia de las líneas de transmisión, particularmente para limitar las tensiones con la línea en vacío o en mínima carga. En ese sentido son usualmente requeridos en líneas aéreas con longitudes de mas de 100 km. Una línea corta puede también requerir reactores shunt si la línea es alimentada desde un sistema débil. Los reactores utilizados en sistemas de transmisión tienen una construcción similar a los transformadores, pero poseen solo un devanado primario y llevan entrehierros en el núcleo, al igual que el transformador el núcleo y bobinado están sumergidos en aceite. Pueden fabricarse unidades monofásicas o trifásicas.



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REACTOR DE NEUTRO



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REACTOR MARCONA 5 MVAr, 10 kV



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Reactores en serie en cada fase



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Reactores de acople de barras



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REACTOR DE ACOPLE DE BARRAS A ASER INSTALADO EN CHI LCA

44..22..22 CCAAPPAACCIITTOORREESS ““ SSHHUUNNTT”” En la década de 1910 fueron usados los primeros capacitores para la corrección del factor de potencia, que utilizaron el aceite como dieléctrico, su uso fue limitado por su tamaño, peso y alto costo. En 1930, con la introducción de materiales dieléctricos y otras mejoras en la construcción de capacitores permitió reducir considerablemente su peso y tamaño. Estos equipos constituyen el medio más económico para producir potencia reactiva, pueden estar fijos o maniobrados mecánicamente. Sus principales ventajas son su bajo costo y su flexibilidad de instalación y operación. Su principal desventaja es que conectados en paralelo proveen el mínimo soporte de la tensión cuando su aporte es más necesario, en virtud a que su potencia reactiva depende del cuadrado de su tensión. No obstante, el uso de capacitores “shunt” se ha incrementado considerablemente.



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En los sistemas de distribución se utilizan para la corrección del factor de potencia y el control de la tensión de los alimentadores. Son conectados o desconectados de manera automática respondiendo a un reloj o a un relé de tensión. En los sistemas de transmisión se utilizan para compensar la perdidas X*I2 en la transmisión y para asegurar niveles satisfactorios durante condiciones de alta carga. Son conectados o desconectados mediante interruptores de manera automática mediante un relé de tensión o de manera manual. Estudios detallados de flujo de potencia se realizan para determinar el tamaño y la ubicación del banco de capacitores para lograr el criterio de diseño del sistema.



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BANCO DE CAPACITORES DE 30 MVAr, 60 KV, 60 Hz



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Para garantizar las especificaciones indicadas, cada banco de capacitores posee 36 unidades de condensadores dispuestos según el diagrama de la Figura.

In

Va

Vc

Vb

S = 4P = 2

S = 4P = 1

Unidad decondensador

Corriente dedesbalance

Disposición de diseño de cada banco de capacitores

Cada unidad de condensador esta conformada por la combinación de "elementos" tal como se muestra en la Figura. Las características nominales de cada una de las unidades de condensadores son: Tensión nominal: 10392 V Corriente nominal: 131.0 A Capacidad nominal: 1145.7 KVAR

Capacitancia: 28.14 µF Frecuencia nominal: 60 Hz Fusibles Internos: Si



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Disposición de diseño de cada unidad de condensador En la Figura se aprecia que cada unidad esta conformada por cinco grupos conectados en serie, siendo V GE la tensión en un grupo de elementos y V UG es la tensión en la unidad de condensadores. Asimismo, cada grupo esta conformado de 16 elementos de condensadores en paralelo, con un descargador. Por otro lado I n es la corriente de desbalance.

44..22..33 CCAAPPAACCIITTOORREESS SSEERRIIEE Se conectan en serie con los conductores de la línea para compensar su reactancia inductiva. De esta manera se reduce la reactancia de transferencia entre las subestaciones de envío y recepción, con lo cual se incrementa la potencia transmitida y se reduce las pérdidas de potencia reactiva (X*I2). Es un equipo de compensación reactiva autorregulante, que incrementa su potencia reactiva incrementando la capacidad de transmisión. En los sistemas de distribución Se utiliza para mejorar la regulación de tensión en los alimentadores de distribución y de sistemas industriales. Este capacitor en serie no solo reduce la caída de tensión sino que responde instantáneamente a los cambios de la corriente de carga, por lo cual puede ser utilizado para resolver problemas de flicker. Sin embargo existen muchos problemas asociados a su utilización en los sistemas de distribución: autoexcitación de grande motores asíncronos y síncronos durante el arranque, oscilaciones en motores síncronos o asíncronos con baja carga en sistemas cuya relación Rcc/Xcc es muy grande, la Ferroresonancia con transformadores al ser



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energizados y las dificultades para la protección de los capacitores de las corrientes de falla. En los sistemas de subtransmisión se utilizan para reparto de corriente o flujos en lineas paralelas y mejorar la regulación. En los sistemas de transmisión Han tenido mayores aplicaciones en transmisión para compensar la impedancia inductiva de líneas largas y mejorar la estabilidad del sistema y para posibilitar el reparto de carga en líneas de varios circuitos. Un esquema típico de protección de un banco serie se muestra en la figura. Se aprecia una resistencia no-lineal (R) de oxido de zinc (ZnO) que limita la tensión en el banco durante una falla y reinserta el banco inmediatamente después que la corriente de falla se ha despejado. La energía es absorbida por la resistencia sin necesidad que se cebe el arco en el descargador (G), que provee una protección de respaldo contra sobretensiones para la resistencia. El banco de capacitores y el resistor mantienen el circuito durante una falla, con la resistencia conduciendo más corriente.

Los capacitores serie pueden ubicarse teóricamente en cualquier lugar a lo largo de la línea. Los factores que se consideran en la selección de la ubicación son: a. Costo. b. Accesibilidad. c. Niveles de falla. d. Criterios de protección. e. Perfil de tensiones. f. Efectividad en mejorar la capacidad de transmisión. Las ubicaciones que han sido utilizadas son: a. Punto medio de la línea. b. Terminales de la línea. c. Puntos de 1/3 o 1/4 de la línea. Cuando los capacitores serie se ubican en el punto medio de la línea, los requerimientos de protección son menos complicados si el grado de compensación es menor de 0.50, asimismo las corrientes de cortocircuito son menores. Sin embargo no es conveniente en términos de acceso para mantenimiento, supervisión y seguridad.



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Cuando la compensación se divide en dos y cada parte se ubica en las subestaciones de envío y recepción, ofrece mayor accesibilidad y disponibilidad. Sus desventajas son las altas corrientes de cortocircuito, la mayor complicación de la protección y la necesidad de utilizar mayores montos de compensación. En la Figura se muestra los esquemas usuales de compensación serie capacitiva

La selección de la configuración del esquema de compensación serie para una aplicación en particular, requiere de un estudio detallado con la finalidad de encontrar la solución de mínimo costo que ofrezca la mayor confiabilidad. Para ello las restricciones son el perfil de tensiones, la efectividad de la compensación, pérdidas de transmisión, sobretensiones y la proximidad a una subestación existente. Al agregar un capacitor en serie con la inductancia de la línea de transmisión se forma un circuito resonante serie. La frecuencia natural de este circuito resonante esta por debajo de la frecuencia industrial para una rango de compensación de 20 a 70 % de la reactancia de la línea, que puede ser activada durante alguna perturbación produciendo corrientes subarmónicas que se superponen a la corriente de frecuencia fundamental. Estas corrientes subarmónicas son normalmente amortiguadas rápidamente en algunos ciclos debido a las resistencias de las líneas y cargas. Existe una posibilidad de interacción de estos subarmónicos con la frecuencia natural del sistema mecánico de turbogeneradores ubicados cerca, que puede desencadenar oscilaciones torsionales espontáneas o luego de una falla (Resonancia Subsíncrona). 44..22..44 CCOOMMPPEENNSSAADDOORR SSIINNCCRROONNOO Tanto los reactores como los capacitores son equipos pasivos de compensación y no ejercen un control transitorio de la tensión, efecto que se presenta cuando ocurre un evento en el sistema. Para superar estos problemas se instala compensación reactiva en la transmisión, uno de esos tipos es la compensación reactiva “shunt” regulada, la cual hasta antes del descubrimiento de los tiristores se lograba utilizando los compensadores síncronos. El compensador síncrono es utilizado cuando en una subestación existen bajos niveles de potencia de cortocircuito y posee cargas grandes del tipo motor o en la subestación de



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recepción, cuando la potencia debe transmitirse a grandes distancias del punto en que la energía eléctrica es generada. Un compensador síncrono es un motor síncrono que opera sin carga en el eje y que consume de la barra en la cual esta conectado, una corriente reactiva en adelanto o en atraso. Se utiliza para mejorar el factor de potencia, regular la tensión y cuando es necesario incrementar la potencia de cortocircuito en su zona de influencia desde los años 1930.

En la Figura se muestra el diagrama fasorial del compensador síncrono (sin pérdidas) conectado a una barra de tensión V.

La característica Tensión-Corriente del compensador síncrono se define a partir de la ecuación:

V = Eq+ Xd I

Figura 2. Característica Tensión-corriente del C.S.



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