Compensación Reactiva

Capitulo de Ingeniería Mecánica – Eléctrica DIPLOMADO OPERACIÓN EN SISTEMA ELÉCTRICOS DE POTENCIA

Expositor :Ing. Juan Natividad Jamanca Chiclayo, Julio 2014

Compensación Reactiva • Sábado 12.07.2014: • Curvas de capabilidad de las unidades de generación. • Fundamentos de la transmisión de la potencia eléctrica en líneas de transmisión. • Energización de líneas de transmisión en vacio. • Elementos de compensación reactiva: capacitores shunt, capacitores serie, reactores shunt y reactores serie.

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CONTENIDO • Sábado 12.07.2014: • Características del compensador síncrono. • Características del SVC.

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Compensación Reactiva CURVAS DE CAPABILIDAD DE UNIDADES DE GENERACIÓN

El

comportamiento

de

un

comprende fundamentalmente

generador dos

síncrono

condiciones

de

operación:

a) estado transitorio y

b) estado estable.

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Compensación Reactiva CURVAS DE CAPABILIDAD DE UNIDADES DE GENERACIÓN

Las características del generador en estado estable se refieren sobre todo a los límites térmicos para la operación segura del generador.

Es muy útil que el operador conozca las características de comportamiento en estado estable (capabilidad) de su máquina, ya que éstas marcan las condiciones límites de operación, además el operador puede conocer como influyen los parámetros de la unidad en su operación. 5

Compensación Reactiva CURVAS DE CAPABILIDAD DE UNIDADES DE GENERACIÓN

La curva o diagrama de capabilidad se basa en un diagrama fasorial de potencias activa y reactiva llamado Diagrama Circular de la Máquina Síncrona.

A la curva de capabilidad se le llama también diagrama de límite térmico, porque permite determinar el valor al cual la máquina, sus embobinados y sus núcleos, alcanzan la temperatura de régimen de operación estable de acuerdo a sus aislamientos y manufactura.

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Compensación Reactiva LIMITE DE OPERACIÓN DE LOS GENERADORES SINCRONOS

La operación de un generador síncrono es limitada principalmente por el calentamiento de los devanados estatórico y rotórico, el sobrecalentamiento de estos devanados repercute en la vida útil de la máquina. Por esta razón, una máquina síncrona no puede ser sobrecargada

a

menos

que

sea

absolutamente

necesario. Otras limitaciones para la operación del generador es la estabilidad estática de la máquina dada por el ángulo de torque máximo, la excitación mínima permisible y la potencia máxima entregada por la máquina motriz. 7

Compensación Reactiva CORRIENTE DE ARMADURA MÁXIMO

Es la corriente máxima permisible en el estator impuesta por el calentamiento del estator y la consiguiente vida útil del aislamiento.

En la figura siguiente, se muestra este lugar geométrico como una semicircunferencia de radio igual a la potencia aparente máxima (kVA), este valor viene dado por el producto de la tensión nominal y la corriente máxima permisible de armadura.

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Compensación Reactiva CORRIENTE DE ARMADURA MÁXIMO (CALENTAMIENTO DEL ESTATOR)

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Compensación Reactiva CURVA DE CAPABILIDAD DE UNIDADES DE GENERACIÓN

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Compensación Reactiva POTENCIA MÁXIMA DE LA MÁQUINA MOTRIZ (TURBINA)

Este límite esta determinado por la capacidad de la máquina motriz debido a limitaciones propias de fabricación, esta restricción impide entregar mas que cierta cantidad de potencia máxima.

El lugar geométrico de este límite se representa mediante una recta paralela al eje Q, a una distancia de magnitud igual a la potencia máxima de la turbina. En la figura siguiente se puede observar como este lugar geométrico limita la potencia activa que puede entregar al generador. 11

Compensación Reactiva POTENCIA MÁXIMA DE LA MÁQUINA MOTRIZ (TURBINA)

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Compensación Reactiva CURVA DE CAPABILIDAD DE UNIDADES DE GENERACIÓN

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Compensación Reactiva CORRIENTE DE EXCITACIÓN MÁXIMA

Existe un valor máximo permisible de corriente de excitación impuesto por un lado por el calentamiento del rotor, o por características propias de la excitatriz.

Este valor de corriente de excitación induce en el estator una FEM máxima el cual genera un límite de potencia aparente entregada por el generador (para el caso de polos lisos se representa mediante una circunferencia).

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Compensación Reactiva CORRIENTE DE EXCITACIÓN MÁXIMA (CALENTAMIENTO DEL ROTOR)

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Compensación Reactiva CURVA DE CAPABILIDAD DE UNIDADES DE GENERACIÓN

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Compensación Reactiva CORRIENTE DE EXCITACIÓN MÍNIMA

La excitatriz del generador es una máquina de corriente continua, por ello es imposible anular los flujos residuales (magnetismo remanente); por eso, aunque se anule la excitación siempre habrá una FEM mínima inducida para contrarrestar esos flujos residuales.

El lugar geométrico de este límite es una curva semejante a la corriente de excitación máxima, el límite para una mínima corriente de excitación se muestra en la figura siguiente.

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Compensación Reactiva CORRIENTE DE EXCITACIÓN MÍNIMA (FLUJOS RESIDUALES)

En la practica cuando no se conoce el valor de esta corriente mínima de excitación, se estima entre un 5 a 10% de la excitación necesaria con carga nominal. 18

Compensación Reactiva CURVA DE CAPABILIDAD DE UNIDADES DE GENERACIÓN

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Compensación Reactiva ÁNGULO DE TORQUE MÁXIMO (LÍMITE DE ESTABILIDAD PERMANENTE)

La potencia producida por un generador síncrono depende del ángulo δ definido entre la tensión en bornes del generador y la FEM inducida.

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Compensación Reactiva ÁNGULO DE TORQUE MÁXIMO (LÍMITE DE ESTABILIDAD PERMANENTE)

El ángulo δ se le conoce como ángulo de torque y la potencia máxima que puede suministrar el generador de acuerdo a la figura siguiente, corresponde a un δ = 90°, la potencia máxima expresada por esta ecuación determina el límite de estabilidad estática del generador. Normalmente, los generadores no se acercan a este límite, siendo los ángulos típicos de torque entre 15° y 20° a plena carga.

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Compensación Reactiva ÁNGULO DE TORQUE MÁXIMO (LÍMITE DE ESTABILIDAD PERMANENTE)

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Compensación Reactiva ÁNGULO DE TORQUE MÁXIMO (LÍMITE DE ESTABILIDAD PERMANENTE)

Cualquier intento de transmitir una potencia hace aumentar el ángulo δ en más de 90°, lo que disminuye la potencia

provocando

inestabilidad

y

pérdida

del

Sincronismo. No es aconsejable operar el generador, justo en este límite teórico, debido a las perturbaciones del sistema que puedan ocurrir, en tal sentido se recomienda definir un límite práctico de seguridad como límite de estabilidad permanente. Este se obtiene trasladando la curva para una menor potencia en 10% a 20% de la capacidad nominal de la máquina.

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Compensación Reactiva DETERMINACIÓN DEL LÍMITE PRACTICO PARA ESTABILIDAD PERMANENTE

El ángulo máximo que se puede obtener para una carga máxima es cuando δ es igual a 90°; este límite teórico corresponde a una recta paralela al eje P, y que pasa por el punto (-V²/Xs, 0).

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Compensación Reactiva CURVA DE CAPABILIDAD DE UNIDADES DE GENERACIÓN

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Compensación Reactiva DETERMINACIÓN DEL LÍMITE PRACTICO PARA ESTABILIDAD PERMANENTE

El límite practico se obtiene trazando circunferencias para diferentes valores de potencia, tal como se muestra en la figura siguiente, luego a partir de la intersección de estas circunferencias con el límite de estabilidad teórica, puntos denominados con la letra c, se decrementa cada potencia máxima en un 10 o 20% de la potencia activa nominal.

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Compensación Reactiva DETERMINACIÓN DEL LÍMITE PRACTICO PARA ESTABILIDAD PERMANENTE

Los puntos d obtenidos se trasladan horizontalmente, hasta interceptar con la circunferencia correspondiente, obteniéndose los puntos f. El lugar geométrico resultante de la unión de los puntos f, corresponde al límite de estabilidad permanente practico.

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Compensación Reactiva DETERMINACIÓN DEL LÍMITE PRACTICO PARA ESTABILIDAD PERMANENTE

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Compensación Reactiva CURVA DE CAPABILIDAD DE UNIDADES DE GENERACIÓN

Después de haber impuesto las restricciones que limitan la operación del generador, la curva resultante es el límite de operación del generador el cual determina la región sobre la cual se asegura una operación confiable de la máquina.

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Compensación Reactiva CURVA DE CAPABILIDAD DE UNIDADES DE GENERACIÓN

A la curva de capacidad también se le conoce como carta de operación del generador y en el se pueden determinar las diferentes combinaciones de megavatios y megavars que pueden ser producidos por el generador a diferentes factores de potencia y ángulos de torque (δ).

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Compensación Reactiva CURVA DE CAPABILIDAD DE UNIDADES DE GENERACIÓN

Los vars positivos son suministrados por el generador y es la zona de sobreexcitación donde el generador funciona con factor de potencia inductivo, y los vars negativos son alimentados dentro del generador desde el sistema de energía y es la zona de subexcitación donde el generador trabaja con factor de potencia capacitivo.

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Compensación Reactiva CURVA DE CAPABILIDAD DE UNIDADES DE GENERACIÓN (POLOS LISOS)

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Compensación Reactiva CURVA DE CAPABILIDAD DE UNIDADES DE GENERACIÓN (POLOS LISOS)

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Compensación Reactiva CURVA DE CAPABILIDAD DE UNIDADES DE GENERACIÓN (POLOS SALIENTES)

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Compensación Reactiva CURVA DE CAPABILIDAD DE UNIDADES DE GENERACIÓN (POLOS SALIENTES)

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Compensación Reactiva CONSIDERACIONES SOBRE LA CURVA DE CAPABILIDAD DE UNIDADES DE GENERACIÓN

No podemos mantener la misma potencia aparente a un factor de potencia mas bajo, debido al límite de temperatura del bobinado del rotor. La capacidad del generador es reducida a un bajo factor de potencia en retraso.

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Compensación Reactiva CONSIDERACIONES SOBRE LA CURVA DE CAPABILIDAD DE UNIDADES DE GENERACIÓN

En la zona subexitada una corriente de excitación muy baja puede hacer que el rotor salga fuera de paso, debido a la pérdida de torque magnético. Si el generador sufriera una pérdida completa de campo, el generador seguiría

entregando

potencia

activa

por

el

accionamiento de la turbina, pero retiraría potencia reactiva del sistema para mantener la excitación, esto conduciría a una baja tensión en los terminales del generador produciendo un sobrecalentamiento en el hierro del estator, en este caso el relé de pérdida de campo puede ser usado para dar alarma o iniciar la desconexión de la unidad. 37

Compensación Reactiva CONSIDERACIONES SOBRE LA CURVA DE CAPABILIDAD DE UNIDADES DE GENERACIÓN

Durante una perturbación en el SEIN, puede ocurrir que se formen áreas aisladas; en algunas áreas tendremos demasiada generación disponible y en otras habrá generación insuficiente si una distribución de carga no se realiza inmediatamente; el generador sufrirá caídas de frecuencia, de tensión y un aumento de la corriente en el estator y puede producir un sobrecalentamiento del mismo.

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Compensación Reactiva CONSIDERACIONES SOBRE LA CURVA DE CAPABILIDAD DE UNIDADES DE GENERACIÓN

El regulador de tensión aumentará la excitación en el generador para elevar la tensión de línea, y esto puede conducir al sobrecalentamiento del rotor. La misma se protege a través de un relé de sobrecorriente instalado en el circuito de excitación.

Del mismo modo el bobinado del estator puede ser protegido del sobrecalentamiento por la instalación de un relé de sobrecorriente de tiempo extremadamente inverso, fijado para operar justo cuando el límite térmico de corto tiempo del bobinado del estator sea alcanzado. 39

Compensación Reactiva EJEMPLOS DE CURVAS DE CAPABILIDAD

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Compensación Reactiva EJEMPLOS DE CURVAS DE CAPABILIDAD

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Compensación Reactiva EJEMPLOS DE CURVAS DE CAPABILIDAD

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Compensación Reactiva EJEMPLOS DE CURVAS DE CAPABILIDAD

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Compensación Reactiva EJEMPLOS FICHA TÉCNICA

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Compensación Reactiva FUNDAMENTOS DE LA TRANSMISIÓN DE LA POTENCIA ELÉCTRICA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

RED RADIAL Y CARGA REAL SIN COMPENSACIÓN

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Compensación Reactiva FUNDAMENTOS DE LA TRANSMISIÓN DE LA POTENCIA ELÉCTRICA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

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Compensación Reactiva FUNDAMENTOS DE LA TRANSMISIÓN DE LA POTENCIA ELÉCTRICA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

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Compensación Reactiva FUNDAMENTOS DE LA TRANSMISIÓN DE LA POTENCIA ELÉCTRICA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

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Compensación Reactiva FUNDAMENTOS DE LA TRANSMISIÓN DE LA POTENCIA ELÉCTRICA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

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Compensación Reactiva FUNDAMENTOS DE LA TRANSMISIÓN DE LA POTENCIA ELÉCTRICA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

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Compensación Reactiva FUNDAMENTOS DE LA TRANSMISIÓN DE LA POTENCIA ELÉCTRICA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

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Compensación Reactiva FUNDAMENTOS DE LA TRANSMISIÓN DE LA POTENCIA ELÉCTRICA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

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Compensación Reactiva FUNDAMENTOS DE LA TRANSMISIÓN DE LA POTENCIA ELÉCTRICA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

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Compensación Reactiva EJEMPLO

EL = EG – R IL = 10 – 2 I PL = ELIL = (10–2I)I = 8 10I – 2I2 = 8 5I – I2 = 4 5 ± 3 2

I = 1 I = 4

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Compensación Reactiva ENERGIZACIÓN DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

Entre las operaciones de maniobra que pueden ocasionar un nivel de sobretensión elevada están las operaciones de apertura o cierre. Observaremos los de cierre como lo son: Energización de una línea y Recierre de una línea. Ante la energización o recierre de líneas trifásicas, es muy probable la generación de sobretensiones en las tres fases de la línea. Así, cada cierre o recierre produce tres sobretensiones fase-tierra y por lo tanto tres sobretensiones entre fases.

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Compensación Reactiva ENERGIZACIÓN DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

Al energizar una línea de transmisión en vacío la sobretensión se origina por la discrepancia de polos en el cierre del Interruptor de potencia (disyuntor), esto es, la no simultaneidad del cierre de sus contactos. Así, luego de haber cerrado la primera fase se generan ondas de tensión en las otras dos fases, producto de su acoplamiento. Estas ondas se propagan a lo largo de la línea hasta alcanzar su otro extremo, en donde al chocar con la impedancia de circuito abierto, se reflejan para superponerse

con

las

ondas

que

continúan

propagándose, produciéndose así la sobretensión. 56

Compensación Reactiva ENERGIZACIÓN DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

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Compensación Reactiva ENERGIZACIÓN DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

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Compensación Reactiva ENERGIZACIÓN DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

Al energizar una L.T. tener cuidado del efecto capacitivo y el incremento de tensión que se produzca por la misma. La cual puede traer consecuencias para las unidades de generación en especial la térmicas y las industrias cercanas a la barra de energización.

Por ejemplo: energizamos una línea 220 kV de 247.25 Km.

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Compensación Reactiva ENERGIZACIÓN DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN 227.00 kV

209.47 kV

39.14 MVAr 214.84 kV

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Compensación Reactiva INTRODUCCIÓN A LA COMPENSACIÓN REACTIVA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

Para una operación eficiente y confiable de sistemas eléctricos de potencia, el control de la tensión y potencia reactiva debería satisfacer los siguientes objetivos:

Tensiones en terminales de todos los equipos en el sistema deben estar dentro de los límites aceptables. Una prolongada operación de los equipos con tensiones fuera del rango aceptable podría afectar su desempeño y posiblemente provocarles daños irreparables.

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Compensación Reactiva INTRODUCCIÓN A LA COMPENSACIÓN REACTIVA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

Maximizar la utilización de los sistemas de transmisión, sin deteriorar los márgenes de estabilidad del sistema.

Minimizar el flujo de potencia reactiva para reducir las pérdidas R.I2 y X.I2 hasta un mínimo práctico. Así se asegura la operación eficiente de la transmisión.

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA

El problema de mantener las tensiones dentro de límites requeridos es complicado por el hecho de que el sistema de transmisión conduce la energía eléctrica de muchas

unidades

de

generación,

suministrando

potencia a un gran número de cargas. En ese sentido al variar las cargas, varían los requerimientos de potencia reactiva del sistema de transmisión.

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA

Como la potencia reactiva no puede ser transmitida en grandes distancias, el control de la tensión tiene que ser efectuado utilizando equipos especiales esparcidos a través del sistema de transmisión. Desde luego que una tarea fundamental del ingeniero de sistemas de potencia es la apropiada selección y ubicación de los equipos de compensación; así como la coordinación de los mismos para obtener un efectivo control de la potencia reactiva y de la tensión.

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Compensación Reactiva COMPENSACIÓN SHUNT DISTRIBUIDA

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Compensación Reactiva COMPENSACIÓN SERIE DISTRIBUIDA

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 menor que el 100% para evitar el fenómeno de la ferroresonancia, 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.

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Compensación Reactiva COMPENSACIÓN SERIE DISTRIBUIDA

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : GENERADORES

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.

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : GENERADORES

La capacidad de suministrar o absorber en forma continua potencia reactiva 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.

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : TRANSFORMADORES

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

cortocircuito).

Los

de

dispersión valores

(reactancia

bajos

son

de para

transformadores pequeños y los altos para grandes transformadores.

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

La carga de una línea de transmisión varía entre 0.05 a 1 MVAR/km. para líneas de 138 kV 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.

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CARGAS

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. 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. 72

Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : REACTORES SHUNT

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. 73

Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : REACTORES SHUNT

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : REACTORES SHUNT

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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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : REACTORES SHUNT

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : REACTORES SHUNT

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : REACTORES SHUNT

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : REACTORES SHUNT

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CAPACITORES SHUNT

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. Una característica desfavorable es que los capacitores 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. 80

Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CAPACITORES SHUNT

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CAPACITORES SHUNT

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CAPACITORES SHUNT

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CAPACITORES SHUNT

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CAPACITORES SHUNT

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CAPACITORES SHUNT

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CAPACITORES SHUNT

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CAPACITORES SERIE

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. En un equipo de compensación reactiva autorregulante, que incrementa su potencia reactiva incrementado la capacidad de transmisión.

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CAPACITORES SERIE SISTEMA 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.

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CAPACITORES SERIE SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN

Sin embargo existen muchos problemas asociados a su

utilización

en

autoexcitación

de

los

sistemas

grande

de

motores

distribución:

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 energizados y las dificultades para la protección de los capacitores de las corrientes de falla.

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CAPACITORES SERIE SISTEMA 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.

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CAPACITORES SERIE SISTEMA DE TRANSMISIÓN

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.

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CAPACITORES SERIE SISTEMA DE TRANSMISIÓN

Los capacitores serie pueden ubicarse teóricamente en cualquier lugar a lo largo de la línea. Los factores 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. 93

Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CAPACITORES SERIE SISTEMA DE TRANSMISIÓN

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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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CAPACITORES SERIE SISTEMA DE TRANSMISIÓN

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.

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CAPACITORES SERIE SISTEMA DE TRANSMISIÓN

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CAPACITORES SERIE SISTEMA DE TRANSMISIÓN

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.

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CAPACITORES SERIE SISTEMA DE TRANSMISIÓN

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.

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : CAPACITORES SERIE SISTEMA DE TRANSMISIÓN

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

turbogeneradores

del ubicados

sistema cerca,

mecánico que

de

puede

desencadenar oscilaciones torsionales espontáneas o luego de una falla (Resonancia Subsíncrona).

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : COMPENSADOR SINCRONO

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. 10 0

Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : COMPENSADOR SINCRONO

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 recepción, cuando la potencia debe transmitirse a grandes distancias del punto en que la energía eléctrica es generada.

10 1

Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : COMPENSADOR SINCRONO

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.

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : COMPENSADOR SINCRONO

El diagrama fasorial del compensador síncrono, (sin pérdidas) conectado a una barra de tensión V se muestra en la Figura siguiente:

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : COMPENSADOR SINCRONO

La característica Tensión-Corriente del compensador síncrono se define a partir de la ecuación: V = Eq+ Xd I

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : COMPENSADOR SINCRONO

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : SVC

Un compensador estático de potencia reactiva (SVC) es la versión de estado sólido de un compensador síncrono. Es un dispositivo reactivo que tiene la propiedad de generar o absorber potencia reactiva, y a diferencia del compensador síncrono, no tiene partes fundamentales en movimiento.

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : SVC

Las estrategias de control de un SVC, son:

Control activo continuo, que disponen de un reactor controlado por tiristores (TCR).

Control activo discontinuo, pueden incluir capacitores y reactores conmutados por tiristores (TSC y TSR).

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : SVC

Los SVC ya sea controlados o conmutados por tiristores son los que actualmente tienen mayor utilización, totalizando el 95 % de los SVCs instalados en sistemas de transmisión del mundo.

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : SVC CONTROLADO POR TIRISTORES

Esta conformado por un transformador, reactores, capacitores, válvulas de tiristores bidireccionales y un sistema de control. Los esquemas mas comunes de SVC, que consideran los dos principios de control más utilizados:

TSC/TCR:

Capacitores

conmutados

por

Tiristores

/Reactor controlado por tiristores. TCR/FC: Reactor controlado por tiristores/Capacitores fijos.

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : SVC CONTROLADO POR TIRISTORES

Desde el punto de vista de la frecuencia en ambos principios de control (TSC y TCR), el SVC puede ser considerado como una reactancia variable, el primero es una reactancia capacitiva variable por escalones y en el segundo es una reactancia inductiva continuamente variable.

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Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : SVC CONTROLADO POR TIRISTORES

Tanto la configuración TCR como la TSC normalmente se conectan en delta. Las razones para la conexión delta son una más favorable utilización de los tiristores y, en caso del esquema TCR, para encerrar los armónicos con carácter de secuencia cero (tercer armónico y sus múltiplos).

111

Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : SVC TIPO TSC/TCR

Un compensador de este tipo esta constituido por ramas de capacitores conmutados por tiristores (TSC) en paralelo con un reactor controlado por tiristores (TCR). En las ramas TSC, en serie con cada capacitor se ubica un reactor que tiene la función de atenuar los transitorios de energización. Los tiristores se conectan entre el reactor y el capacitor para protegerlos contra los cortocircuitos

112

Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : SVC TIPO TSC/TCR

113

Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : SVC TIPO TSC/TCR

A diferencia del TCR, los tiristores son utilizados solo para conectar o retirar los capacitores; por lo tanto en las ramas TSC, la potencia reactiva capacitiva solo puede variar por saltos y no se generan armónicos.

114

Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : SVC TIPO TSC/TCR

El sistema de control coordina el instante de la conmutación del capacitor para que la conexión sea efectuada solamente en el momento que la tensión residual del capacitor sea igual a la del sistema, esto es, cuando la tensión en el tiristor sea cero, para minimizar los transitorios de tensión. Una ventaja de la utilización de ramas TSC en vez de capacitores conmutados mecánicamente, es la rapidez de respuesta y el menor transitorio de energización.

115

Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : SVC TIPO FC/TCR

En este esquema el reactor esta normalmente dividido en dos partes iguales para proteger los tiristores contra cortocircuitos. El sistema de control define una corriente en los reactores, mediante el control del ángulo de disparo de los tiristores.

116

Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : SVC TIPO FC/TCR

Para operar al SVC en el rango inductivo y capacitivo, se instalan capacitores fijos en paralelo con los reactores controlados. En serie con cada capacitor se conecta un pequeño reactor con la finalidad de atenuar los transitorios de energización; estos circuitos son aprovechados también como filtros sintonizados a las armónicas de mayor amplitud generadas por el SVC.

117

Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : SVC TIPO FC/TCR

Cuando la conducción de los tiristores es nula, es decir cuando el ángulo de disparo de los tiristores “ ∂ “ es 180, la corriente por los reactores es nula. En este caso los filtros definen la capacidad reactiva capacitiva máxima (nominal) del SVC

118

Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : SVC TIPO FC/TCR

En la Figura se muestran las formas de onda de la corriente en un reactor para conducción parcial, y la corriente de la combinación TCR/FC.

119

Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : SVC TIPO FC/TCR

La característica Tensión - Corriente (V-I) de un SVC se muestra en la Figura.

120

Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : SVC ESTATISMO O PENDIENTE

La tensión de operación de estado estacionario esta dada por la intercepción de las características del SVC y del sistema. Estas características están expresadas con las siguientes ecuaciones: V = ETH – XTH . I V = VREF + XS. I V: Tensión de la barra controlada por el SVC ETH y XTH: Thevenin equivalente del sistema en la barra controlada. I : Corriente del SVC. VREF: Tensión de referencia del SVC. XS: Reactancia asociada a la pendiente del SVC.

Normalmente la pendiente o estatismo del SVC varía de 1 a 5 %. 121

Compensación Reactiva ELEMENTOS DE COMPENSACIÓN REACTIVA : SVC ESTATISMO O PENDIENTE

122

Compensación Reactiva APLICACIONES DEL SVC EN SISTEMA ELÉCTRICOS DE POTENCIA

Los equipos estáticos de compensación reactiva

con

características y controles particulares son aplicados en sistemas eléctricos de potencia para resolver una gran variedad de problemas. Los cuales van a ser resumidos a continuación:

123

Compensación Reactiva APLICACIONES DEL SVC EN SISTEMA ELÉCTRICOS DE POTENCIA: CONTROL DE TENSIÓN

En sistemas de potencia con bajas potencias de cortocircuito

o

con

líneas

de

transmisión

largas

(sistemas de transmisión débiles), la tensión es afectada en forma significativa por las variaciones de carga, así como por las desconexiones de elementos del sistema por una contingencia.

124

Compensación Reactiva APLICACIONES DEL SVC EN SISTEMA ELÉCTRICOS DE POTENCIA: CONTROL DE TENSIÓN

En ese sentido en condiciones de máxima demanda, la tensión

caerá

considerablemente

y

eventualmente

puede colapsar. Sin embargo, para cargas ligeras (mínima demanda), debido a que las líneas conducen poca

carga,

se

produce

una

sobrecompensación

capacitiva en el sistema, que puede provocar la subexcitación temporal de máquinas síncronas.

125

Compensación Reactiva APLICACIONES DEL SVC EN SISTEMA ELÉCTRICOS DE POTENCIA: CONTROL DE TENSIÓN

Las sobretensiones pueden provocar la saturación de los transformadores y como consecuencia de ello, una excesiva

generación

de

armónicos,

pudiendo

eventualmente producirse la ferroresonancia con bancos de capacitores y líneas de transmisión.

126

Compensación Reactiva APLICACIONES DEL SVC EN SISTEMA ELÉCTRICOS DE POTENCIA: CONTROL DE TENSIÓN

Los fenómenos de sobretensiones pueden causar múltiples operaciones de los pararrayos, y posiblemente su destrucción; mientras que los armónicos producen el calentamiento de capacitores y motores, así como también el daño de equipos de los consumidores.

127

Compensación Reactiva APLICACIONES DEL SVC EN SISTEMA ELÉCTRICOS DE POTENCIA: BALANCE DE CARGA

En

sistemas

eléctricos

que

tienen

potencia

de

cortocircuito bajas, las cargas asimétricas o cargas monofásicas pueden producir asimetría en las tensiones del

sistema

componentes

y del

la

sobrecarga

mismo,

así

en

determinados

como

también

la

generación de pérdidas adicionales en las máquinas eléctricas. En ese sentido mediante la adición de magnitudes apropiadas de compensación “shunt” puede lograrse el balance de las cargas y tensiones, así como también la corrección del factor de potencia.

128

Compensación Reactiva APLICACIONES DEL SVC EN SISTEMA ELÉCTRICOS DE POTENCIA: BALANCE DE CARGAS

Para

el

balance

de

la

asimetría

de

cargas

continuamente variables como los hornos de arco, la única solución práctica es un compensador estático con control individual de cada una de sus fases.

129

Compensación Reactiva APLICACIONES DEL SVC EN SISTEMA ELÉCTRICOS DE POTENCIA: INCREMENTO DE LA CAPACIDAD DE TRANSMISIÓN

La capacidad de transmisión de un sistema de potencia es generalmente limitada por las tensiones de operación y por la reactancia de la línea de transmisión. Para un sistema interconectado modelado mediante un generador conectado a una barra equivalente de un sistema de potencia infinita, la potencia activa “P” transferida esta dada por la expresión: P = PM *Sen∂ ; donde : PM = E*VS / X 130

Compensación Reactiva APLICACIONES DEL SVC EN SISTEMA ELÉCTRICOS DE POTENCIA: INCREMENTO DE LA CAPACIDAD DE TRANSMISIÓN

Mediante la

instalación

de equipos

estáticos

de

compensación reactiva en el sistema de transmisión entre el generador y el sistema de gran potencia se incrementa la capacidad de transmisión. Si se supone que E = VS y que un SVC se ha ubicado en un punto medio de la línea y que la tensión controlada por el SVC es igual a E, entonces cuando los límites reactivos del SVC son muy grandes se cumple que: P = 2*PMAX*Sen (∂ / 2).

131

Compensación Reactiva APLICACIONES DEL SVC EN SISTEMA ELÉCTRICOS DE POTENCIA: INCREMENTO DE LA CAPACIDAD DE TRANSMISIÓN

Estas ecuaciones permiten concluir de modo cualitativo que la capacidad de transmisión de un sistema en particular se incrementa con la instalación de un SVC en lugar estratégico, que puede ser determinado mediante estudios de flujo de potencia.

132

Compensación Reactiva APLICACIONES DEL SVC EN SISTEMA ELÉCTRICOS DE POTENCIA: MEJORAMIENTO DE LA ESTABILIDAD TRANSITORIA

Mejorar la estabilidad transitoria del sistema significa dotar al sistema de márgenes mayores de estabilidad; esto es, incrementar su capacidad de hacer frente a perturbaciones de gran envergadura. Cuando un SVC se instala se incrementa la capacidad de transmisión tal como se ha mostrado, luego para iguales condiciones iniciales y de falla se aprecia una energía desacelerante mayor, con lo cual el sistema dispone de un margen de estabilidad

superior

mejorándose

la

estabilidad

transitoria.

133

Compensación Reactiva APLICACIONES DEL SVC EN SISTEMA ELÉCTRICOS DE POTENCIA: MEJORA DEL AMORTIGUAMIENTO DEL SISTEMA

Las

variaciones

normales

de

las

cargas

y

las

operaciones de maniobras durante la operación en estado

estacionario,

provocan

electromecánicas,

las

cuales

amortiguadas

el

devanado

por

son

oscilaciones generalmente

amortiguador

del

generador y los estabilizadores de sistemas de potencia asociados con el sistema de regulación de tensión del generador.

134

Compensación Reactiva APLICACIONES DEL SVC EN SISTEMA ELÉCTRICOS DE POTENCIA: MEJORA DEL AMORTIGUAMIENTO DEL SISTEMA

Sin

embargo,

en

algunos

casos

se

presentan

oscilaciones no amortiguadas de potencia las cuales pueden producir oscilaciones sostenidas de tensión y frecuencia, y eventualmente provocar la pérdida del sincronismo entre generadores. Es posible mejorar el amortiguamiento del sistema, cuando se dispone de un SVC con respuesta controlada continua y rápida, la cual es mejorada mediante la adición de señales de control adicionales (POD).

135

Compensación Reactiva APLICACIONES DEL SVC EN SISTEMA ELÉCTRICOS DE POTENCIA: MEJORA DEL AMORTIGUAMIENTO DEL SISTEMA

Estas señales adicionales pueden ser: la potencia activa y corriente por las líneas, frecuencia de la red, cambio en el tiempo de la magnitud de la tensión, etc. Por otro lado se prefieren señales de entrada proveniente de mediciones locales porque son más confiables y se evita el tiempo de retraso en la transmisión.

136

Compensación Reactiva APLICACIONES DEL SVC EN SISTEMA ELÉCTRICOS DE POTENCIA: REDUCIR SOBRETENSIONES TEMPORALES Y POR ENERGIZACIÓN DE LÍNEAS

Las sobretensiones temporales después de un rechazo de carga aparecen como consecuencia de la interacción entre las inductancias y capacitancias de las líneas (efecto Ferranti), y los efectos se manifiestan en una sobrecompensación

capacitiva,

sobreexcitaciones

temporales y sobrevelocidad en las máquinas síncronas. Asimismo, operaciones

las no

sobretensiones deseadas

de

pueden los

producir

pararrayos

y

eventualmente su destrucción.

137

Compensación Reactiva APLICACIONES DEL SVC EN SISTEMA ELÉCTRICOS DE POTENCIA: REDUCIR SOBRETENSIONES TEMPORALES Y POR ENERGIZACIÓN DE LÍNEAS

En estos casos utilizando equipos automáticos de compensación reactiva con apropiada capacidad de sobrecarga en el rango de absorción (rango inductivo), puede lograrse una rápida reducción de la tensión.

138

139

Compensación Reactiva INGRESO DE DATOS EN DIG SILENT BANCO DE CONDENSADORES

140

Compensación Reactiva INGRESO DE DATOS EN DIG SILENT REACTOR DE BARRA

141

Compensación Reactiva INGRESO DE DATOS EN DIG SILENT REACTOR DE LÍNEA

142

Compensación Reactiva INGRESO DE DATOS EN DIG SILENT SVC

143

Compensación Reactiva INGRESO DE DATOS EN DIG SILENT CAPACITOR SERIE

144

Compensación Reactiva INGRESO DE DATOS EN DIG SILENT CAPACITOR SERIE

145

Compensación Reactiva INGRESO DE DATOS EN DIG SILENT CAPACITOR SERIE

146

Compensación Reactiva CIRCUITO EQUIVALENTE DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN

147

Compensación Reactiva LÍNEA DE TRANSMISIÓN CON REACTOR DE LÍNEA

148

Compensación Reactiva LÍNEA DE TRANSMISIÓN CON REACTOR DE LÍNEA

149

Compensación Reactiva LÍNEA DE TRANSMISIÓN CON REACTOR DE LÍNEA

150

Compensación Reactiva LÍNEA DE TRANSMISIÓN CON REACTOR DE LÍNEA

151

Compensación Reactiva LÍNEA DE TRANSMISIÓN CON REACTOR DE LÍNEA

152

Compensación Reactiva OPERACIÓN DE UNA MÁQUINA SINCRONA

153

Compensación Reactiva OPERACIÓN DE UNA MÁQUINA SINCRONA LAZO DE CONTROL Q-V

154

Compensación Reactiva SISTEMA DE EXCITACIÓN CON REGULACIÓN AUTOMÁTICO DE TENSIÓN (AVR)

155

Compensación Reactiva COMPORTAMIENTO TRANSITORIO DE LA TENSIÓN ANTE INCREMENTO DE POTENCIA REACTIVA

156

Compensación Reactiva COMPORTAMIENTO TRANSITORIO DE UNA MAQUINA SÍNCRONA ANTE EL RECHAZO DE CARGA REACTIVA

157

Compensación Reactiva COMPORTAMIENTO TRANSITORIO DE LA TENSIÓN ANTE UN CORTOCIRCUITO LEJANO

158

Compensación Reactiva FUNCIONES DEL SISTEMA DE EXCITACIÓN

• Mantener la tensión en bornes del generador. • Operar la máquina sincrónica dentro de sus límites de operación. • Evitar que la máquina sincrónica este en modo asíncrono. • Respuesta rápida en caso de perturbaciones en la red. • Compartir

potencia

reactiva

con

otras

máquinas

síncronas conectados en paralelo. • Estabilizar oscilaciones de potencia.

159

Compensación Reactiva VENTAJAS DE LA CONEXIÓN ESTRELLA RESPECTO A LA CONEXIÓN DELTA

160

Compensación Reactiva VENTAJAS DE LA CONEXIÓN ESTRELLA RESPECTO A LA CONEXIÓN DELTA

161