Potencia Reactiva - Unac

7/21/2019 Potencia Reactiva - Unac

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Compensacin Reactiva en Sistemas de Transmisin

Roberto Ramrez Arcelles

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44.. EEQQUUIIPPOOSSDDEECCOOMMPPEENNSSAACCIINNRREEAACCTTIIVVAA

44..11 FFUUEENNTTEESSDDEEPPOOTTEENNCCIIAARREEAACCTTIIVVAA

La potencia reactiva es producida o absorbida por todos los componentes de un sistemade potencia: generadores, transformadores, lneas de transmisin, cargas y equipos decompensacin.

44..11..11GGEENNEERRAADDOORREESS

Los generadores suministran potencia activa al sistema y sostienen su tensin mediantela produccin de reactivos, cuando estn sobreexcitados, o absorbindolos cuandooperan subexcitados. El factor de potencia de los generadores esta normalmente en elrango de 0.75 a 0.95. Generadores hidrulicos instalados a una gran distancia de loscentros de carga usualmente tienen alto factor de potencia; mientras que los que estncerca de las cargas o conforman un sistema aislado, deben tener un factor de potenciabajo.

La capacidad de suministrar o absorber potencia reactiva en forma continua est limitadapor la corriente de armadura, la corriente de campo y elcalentamiento en el ncleo en lascercanas de las cabezas de bobina del estator, provocado por el flujo de dispersin en lacondicin de subexcitacin. El generador sncrono esta equipado con un reguladorautomtico de tensin que continuamente ajusta la excitacin y de ese modo controla latensin en bornes a un valor consigna.

Diagrama P-Q del Generador Sncrono

En la Figura 1 se muestra una curva tpica de capabilidad. La regin sobreexcitada es laparte superior, que es un conjunto de puntos de la solucin iterativa de la ecuacin decarga para un valor dado de P (MW), operando a tensin constante, resultando una

determinada potencia reactiva Q (MVAr), que representa una determinada corriente deexcitacin.La porcin de curva 1-2 (Field Heating Limit) corresponde a la operacin con potenciaactiva variable desde el valor nominal (punto 2) hasta la condicin de mnima carga, conuna corriente de excitacin constante e igual a la corriente de excitacin nominal (IFFL),que es la corriente de excitacin cuando el generador opera a potencia aparente, factorde potencia y tensin nominales, con lo cual la corriente de armadura tambin es lanominal (IaFL). La corriente de campo limite se basa en el perfil de temperatura delcampo en operacin continua.Por lo tanto, como en todos estos puntos de la curva 1-2 no se supera la corriente lmitede calentamiento del devanado de excitacin ( Field Heating Limit), el generador puedeoperar a tensin constante, disminuyendo la potencia activa desde el punto 2 (potencia

activa y reactiva nominales) hasta que la potencia activa sea el mnimo tcnico de launidad y esta entregue su mxima potencia reactiva (1).


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44..11..22TTRRAANNSSFFOORRMMAADDOORREESS

El consumo de potencia reactiva de un transformador operando a corriente nominal estanormalmente entre 0.05 y 0.20 p.u. de su potencia aparente nominal. Este consumo espara magnetizar el ncleo del transformador (reactancia magnetizante) y compensar elefecto del flujo de dispersin (reactancia de cortocircuito). Los valores bajos son paratransformadores pequeos y los altos para grandes transformadores

44..11..33LLIINNEEAASSDDEETTRRAANNSSMMIISSIIOONN

La carga de una lnea de transmisin vara entre 0.05 a 1 MVAR/km. para lneas de 138 a500 kV.La potencia reactiva consumida por las lneas depende de la condicin de potenciatransmitida, iguala a la carga de la lnea al transmitirse la potencia natural, la cual seencuentra entre 45 y 1000 MW para lneas de 138 a 500 kV.

44..11..44 CCAARRGGAASS

Las cargas absorben potencia reactiva. Una barra de carga tpica en una subestacin de

un sistema de potencia esta compuesta por un gran nmero de aparatos de consumo.Tanto la potencia activa como la reactiva consumida presentan dependencia con latensin. En ese sentido normalmente las cargas provocan cadas de tensin. Las nicascargas industriales que presentan la opcin de inyectar potencia reactiva son los motoressncronos, los cuales al ser sobreexcitados presentan factores de potencia en adelanto. Elcompensador sncrono es un motor sncrono sin carga que tiene regulador de tensin.


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44..22 EEQQUUIIPPOOSSDDEECCOOMMPPEENNSSAACCIIOONNRREEAACCTTIIVVAA

Los capacitores y reactores son elementos pasivos de compensacin reactiva, queestn incorporados al sistema en conexin serie o paralelo.El capacitor serie es especialmente utilizado para disminuir el ngulo de transmisin eincrementar la tensin en el terminal de recepcin de la lnea. El grado de compensacindebe ser menor que el 100% para evitar el fenmeno de la ferroresonancia, problemascon los rels de proteccin, etc. Se han realizado avances y propuestas en cuanto acambiar el grado de compensacin mediante la conexin o desconexin de parte de loscapacitores mediante tiristores

Un reactor serie no presenta ventajas que influyan en la tensin de recepcin, essolamente utilizado para limitar la corriente de cortocircuito en sistemas distribucin eindustriales.La compensacin con capacitores shunt es principalmente utilizada para incrementar latensin de recepcin en casos de mxima demanda y para suministrar potencia reactivadirectamente a las cargas. Con su conexin se reducen las prdidas de transmisin.

La utilizacin de reactores shunt es principalmente destinada para disminuir lastensiones en las condiciones de carga ligera o rechazos de carga, compensando la cargacapacitiva de la lnea.Un compensador esttico de potencia reactiva puede producir o absorber potenciareactiva o ambas opciones alternativamente dependiendo del tipo de diseo. Cuando seincluye un reactor controlado por tiristores es posible lograr un control fino de la tensin.

44..22..11RREEAACCTTOORREESSSSHHUUNNTT

Es el medio ms econmico que se dispone para la absorcin de potencia reactiva,pudiendo estar conectado en el extremo de llegada de una lnea de transmisin y

maniobrado mecnicamente o mediante el disparo de un interruptor con la seal de unrel de tensin. Se utiliza para compensar los efectos de la capacitancia de las lneas detransmisin, particularmente para limitar las tensiones con la lnea en vaco o en mnimacarga. En ese sentido son usualmente requeridos en lneas areas con longitudes de masde 100 km.Una lnea corta puede tambin requerir reactores shunt si la lnea es alimentada desde unsistema dbil.

Los reactores utilizados en sistemas de transmisin tienen una construccin similar a lostransformadores, pero poseen solo un devanado primario y llevan entrehierros en elncleo, al igual que el transformador el ncleo y bobinado estn sumergidos en aceite.Pueden fabricarse unidades monofsicas o trifsicas.


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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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44..22..22CCAAPPAACCIITTOORREESSSSHHUUNNTT

En la dcada de 1910 fueron usados los primeros capacitores para la correccin del factorde potencia, que utilizaron el aceite como dielctrico, su uso fue limitado por su tamao,peso y alto costo. En 1930, con la introduccin de materiales dielctricos y otras mejorasen la construccin de capacitores permiti reducir considerablemente su peso y tamao.

Estos equipos constituyen el medio ms econmico para producir potencia reactiva,pueden estar fijos o maniobrados mecnicamente. Sus principales ventajas son su bajocosto y su flexibilidad de instalacin y operacin. Su principal desventaja es queconectados en paralelo proveen el mnimo soporte de la tensin cuando su aporte es msnecesario, en virtud a que su potencia reactiva depende del cuadrado de su tensin. Noobstante, el uso de capacitores shunt se ha incrementado considerablemente.

En los sistemas de distribucin se utilizan para la correccin del factor de potencia y elcontrol de la tensin de los alimentadores. Son conectados o desconectados de maneraautomtica respondiendo a un reloj o a un rel de tensin.

En los sistemas de transmisin se utilizan para compensar la perdidas X*I2 en latransmisin y para asegurar niveles satisfactorios durante condiciones de alta carga. Sonconectados o desconectados mediante interruptores de manera automtica mediante unrel de tensin o de manera manual. Estudios detallados de flujo de potencia se realizanpara determinar el tamao y la ubicacin del banco de capacitores para lograr el criteriode diseo 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 segn el diagrama de la Figura.

In

Va

Vc

Vb

S = 4

P = 2

S = 4

P = 1

Unidad de

condensador

Corriente de

desbalance

Disposicin de diseo de cada banco de capacitores

Cada unidad de condensador esta conformada por la combinacin de "elementos" tal como se

muestra en la Figura.

Las caractersticas nominales de cada una de las unidades de condensadores son:Tensin nominal: 10392 V

Corriente nominal: 131.0 A

Capacidad nominal: 1145.7 KVAR

Capacitancia: 28.14 F

Frecuencia nominal: 60 Hz

Fusibles Internos: Si


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Disposicin de diseo de cada unidad de condensador

En la Figura se aprecia que cada unidad esta conformada por cinco grupos conectadosen serie, siendo V GE la tensin en un grupo de elementos y V UG es la tensin en launidad de condensadores. Asimismo, cada grupo esta conformado de 16 elementos decondensadores en paralelo, con un descargador. Por otro lado I n es la corriente dedesbalance.

44..22..33CCAAPPAACCIITTOORREESSSSEERRIIEE

Se conectan en serie con los conductores de la lnea para compensar su reactanciainductiva. De esta manera se reduce la reactancia de transferencia entre lassubestaciones de envo y recepcin, con lo cual se incrementa la potencia transmitida yse reduce las prdidas de potencia reactiva (X*I2).Es un equipo de compensacin reactiva autorregulante, que incrementa su potenciareactiva incrementando la capacidad de transmisin.

En los sistemas de distribucin

Se utiliza para mejorar la regulacin de tensin en los alimentadores de distribucin y de

sistemas industriales. Este capacitor en serie no solo reduce la cada de tensin sino queresponde instantneamente a los cambios de la corriente de carga, por lo cual puede serutilizado para resolver problemas de flicker.

Sin embargo existen muchos problemas asociados a su utilizacin en los sistemas dedistribucin: autoexcitacin de grande motores asncronos y sncronos durante elarranque, oscilaciones en motores sncronos o asncronos con baja carga en sistemascuya relacin Rcc/Xcc es muy grande, la Ferroresonancia con transformadores al ser


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energizados y las dificultades para la proteccin de los capacitores de las corrientes defalla.En los sistemas de subtransmisin se utilizan para reparto de corriente o flujos en lineasparalelas y mejorar la regulacin.

En los sistemas de transmisin

Han tenido mayores aplicaciones en transmisin para compensar la impedancia inductivade lneas largas y mejorar la estabilidad del sistema y para posibilitar el reparto de cargaen lneas de varios circuitos.

Un esquema tpico de proteccin de un banco serie se muestra en la figura. Se apreciauna resistencia no-lineal (R) de oxido de zinc (ZnO) que limita la tensin en el bancodurante una falla y reinserta el banco inmediatamente despus que la corriente de falla seha despejado. La energa es absorbida por la resistencia sin necesidad que se cebe elarco en el descargador (G), que provee una proteccin de respaldo contra sobretensionespara la resistencia. El banco de capacitores y el resistor mantienen el circuito durante unafalla, con la resistencia conduciendo ms corriente.

Los capacitores serie pueden ubicarse tericamente en cualquier lugar a lo largo de lalnea. Los factores que se consideran en la seleccin de la ubicacin son:a. Costo.b. Accesibilidad.c. Niveles de falla.d. Criterios de proteccin.e. Perfil de tensiones.f. Efectividad en mejorar la capacidad de transmisin.

Las ubicaciones que han sido utilizadas son:a. Punto medio de la lnea.b. Terminales de la lnea.c. Puntos de 1/3 o 1/4 de la lnea.

Cuando los capacitores serie se ubican en el punto medio de la lnea, los requerimientosde proteccin son menos complicados si el grado de compensacin es menor de 0.50,asimismo las corrientes de cortocircuito son menores. Sin embargo no es conveniente entrminos de acceso para mantenimiento, supervisin y seguridad.


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Cuando la compensacin se divide en dos y cada parte se ubica en las subestaciones deenvo y recepcin, ofrece mayor accesibilidad y disponibilidad. Sus desventajas son lasaltas corrientes de cortocircuito, la mayor complicacin de la proteccin y la necesidad deutilizar mayores montos de compensacin.En la Figura se muestra los esquemas usuales de compensacin serie capacitiva

La seleccin de la configuracin del esquema de compensacin serie para una aplicacinen particular, requiere de un estudio detallado con la finalidad de encontrar la solucin demnimo costo que ofrezca la mayor confiabilidad. Para ello las restricciones son el perfil detensiones, la efectividad de la compensacin, prdidas de transmisin, sobretensiones yla proximidad a una subestacin existente.

Al agregar un capacitor en serie con la inductancia de la lnea de transmisin se forma uncircuito resonante serie. La frecuencia natural de este circuito resonante esta por debajode la frecuencia industrial para una rango de compensacin de 20 a 70 % de la reactancia

de la lnea, que puede ser activada durante alguna perturbacin produciendo corrientessubarmnicas que se superponen a la corriente de frecuencia fundamental. Estascorrientes subarmnicas son normalmente amortiguadas rpidamente en algunos ciclosdebido a las resistencias de las lneas y cargas. Existe una posibilidad de interaccin deestos subarmnicos con la frecuencia natural del sistema mecnico de turbogeneradoresubicados cerca, que puede desencadenar oscilaciones torsionales espontneas o luegode una falla (Resonancia Subsncrona).

44..22..44CCOOMMPPEENNSSAADDOORRSSIINNCCRROONNOO

Tanto los reactores como los capacitores son equipos pasivos de compensacin y noejercen un control transitorio de la tensin, efecto que se presenta cuando ocurre unevento en el sistema.Para superar estos problemas se instala compensacin reactiva en la transmisin, uno deesos tipos es la compensacin reactiva shunt regulada, la cual hasta antes deldescubrimiento de los tiristores se lograba utilizando los compensadores sncronos.Un compensador sncrono es un motor sncrono que opera sin carga en el eje y queconsume de la barra en la cual esta conectado, una corriente reactiva en adelanto o enatraso. Se utiliza para mejorar el factor de potencia, regular la tensin y cuando es


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necesario incrementar la potencia de cortocircuito en su zona de influencia desde losaos 1930.El diagrama fasorial del compensador sncrono, (sin prdidas) conectado a una barra detensin V se muestra en la Figura:

La caracterstica Tensin-Corriente del compensador sncrono se define a partir de laecuacin:

V = Eq+ Xd I

Figura 2. Caracterstica Tensin-corriente del C.S.


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ANEXOEFICACIA DE LA COMPENSACIN SERIE

Para la configuracin de compensacin serie mostrada en la Figura. El banco decapacitores serie se ubica a una distancia k de los terminales de envo de la lnea.

Las ecuaciones de comportamiento en estado estacionario de una lnea de longitud l sincompensacin son:

R

R

S

S

I

V

DC

BA

I

V (a.1)

donde: cosDA , sinCjZB yCZ

jC sin

(a.1.1)

En la ecuacin (a.1) la reactancia de transferencia esta dado por el coeficiente

sinCjZB , la potencia transmitida es inversamente proporcional a su magnitud.

Para obtener la eficacia de la compensacin serie de la Figura, se utiliza el siguienteprocedimiento:

(1) Se obtiene las ecuaciones de la lnea compensada.

(2) Se identifica la nueva reactancia de transferencia EQB .

(3) Se deduce la disminucin de la reactancia de transferencia EQBBB .

(4) La eficacia esta dada por la relacin CXB / .

Por lo tanto, para el tramo de lnea de longitud k se tendr las siguientes ecuaciones:

1

1

IV

DCBA

IV

KK

KK

S

S (a.2)

Los coeficientes de a.2 son:

)cos( KKK DA , )sin( KCK jZB yC

KK

ZjC )sin(

(a.2.1)


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Las ecuaciones del banco de capacitores:

2

2

11

11

1

1

IV

DCBA

IV (a.3)


011 DA , CjXB 1 y 0C (a.3.1)

Para el tramo de lnea de longitud i = L-k se tendr las siguientes ecuaciones:

R

R

KK

KK

IV

DCBA

IV

2

2 (a.4)


)cos( iii DA , )sin( iCi jZB yC

i

iZ

jC )sin(

(a.4.1)

Entonces, las ecuaciones para la lnea de transmisin, con capacitores serie ubicados auna distancia k de los terminales de envo son:

R

R

EQEQ

EQEQ

S

S

I

V

DC

BA

I

V (a.5)

El coeficiente EQB de a.5 resulta:

))

2cos()

2cos()

2cos()

2sin()

2cos()

2sin(( ikC

ikC

kiCEQ XZZjB

(a.5.1)

)2

cos()2

cos(/ ikC

XB

(a.5.2)


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Aplicacin: Mostrar la eficacia de la compensacin serie utilizando una lnea de 500 kVcuyos parmetros son: X L= 0.3215 /km y bC=5.2 S/km.

EFICACIA DE LA COMPENSACION SERIE EN UNA LINEA DE

TRANSMISION EN FUNCION DE SU UBICACION

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

UBICACION A UNA DISTANCIA EN P.U. DE LOS TERMINALES DE ENVIO

EFEC

TIVIDAD

1500 KM 1000 KM 750 KM 500 KM

Se concluye que la mayor efectividad de la compensacin serie se logra cuando lacompensacin serie se ubica en el punto medio de la lnea de transmisin.

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