Lineas de Transmision

Compensación Reactiva en Sistemas de Transmisión

Roberto Ramírez Arcelles

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INTRODUCCIÓN 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.

• 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.

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. 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. 1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES 1.1 POTENCIA DE CORTOCIRCUITO Termino utilizado para describir la fortaleza de una barra del SEP.

FCCNCC IVS 3 3= (MVA)

• Este número puede ser utilizado para seleccionar el tamaño de los interruptores

requeridos en un punto en particular del SEP. • Los interruptores deben interrumpir corrientes de falla.



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La Figura muestra los niveles de cortocircuito en las barras de 220 kV del SEIN hasta el 2015.



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1.2 MODELO THEVENIN DE UN S.E.P

ththth XjRZ += : Impedancia vista desde la barra, donde thth XR <<

thE : Tensión de Operación de la barra

La impedancia Thevenin se calcula si conoce la φ3ccI (Corriente de Cortocircuito

Trifásico de la barra ) mediante:

φ3

cc

thththth I

EXjRZ =+=

Cuando se conecte en la barra una determinada carga que toma una corriente I& la ecuación Tensión-Corriente del SEP vista desde la barra se expresa como:

IXjREV ththth&&& ) ( +−=

Como thth XR << , entonces la ecuación se reduce a: IXjEV thth&&& −≅



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(a) Scc grande La corriente de cortocircuito Icc3φ es alta, con lo cual Xth es pequeño. La tensión en la

barra (V) experimenta solo una pequeña caída con la carga (SISTEMA FUERTE).

(b) Scc pequeña La corriente de cortocircuito Icc3φ es baja, con lo cual Xth es grande. Con la carga la

tensión en la barra (V) experimenta una gran caída (SISTEMA DEBIL ).

El Nivel de Cortocircuito expresa la Fortaleza del sistema. 1.3 DIAGRAMA DE TENSIÓN – CORRIENTE DE LA CARGA



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Problema 1.- Las instalaciones requeridas para el suministro de energía eléctrica al proyecto minero de la Figura (línea de transmisión de 138 kV y subestación de transformación 138/22.9 kV) se van a conectar a una determinada barra (Punto de Conexión) del SEP. La estadística de operación del SEP indica que la tensión de esta barra es 141.45 kV y se conoce que tiene una potencia de cortocircuito 500 MVA.

(1) Calcular el Thevenin Equivalente del SEP. Las condiciones contractuales indican que en el punto de suministro, la potencia reactiva tomada por las instalaciones del proyecto no debe exceder el 33 % de la potencia activa.

(2) Si la carga inicial de la mina es 10 + j 2.5 MVA, calcular la tensión en la carga y la potencia activa y reactiva en el punto de suministro.

(3) Si la carga de la mina se amplía a 20+ j 14 MVA, calcular la potencia reactiva nominal del menor banco de capacitores a instalar en la mina para cumplir con las condiciones contractuales y que la tensión en la carga sea la nominal.

1.4 COMPENSACIÓN DE LAS CARGAS En un sistema ideal de corriente alterna la tensión y frecuencia en todos los puntos de suministro deberían ser constantes y libres de armónicos, y el factor de potencia debería ser la unidad. En particular estos parámetros deberían ser independientes del tamaño (potencia) y característica de las cargas. • En un sistema ideal cada carga podría ser diseñada para obtener un

comportamiento óptimo a la tensión de suministro dada. • En un sistema real, se debe cumplir con la calidad de suministro, la noción que

debe establecerse es cuan constantes son la tensión y la frecuencia, y cuan cerca de la unidad esta el factor de potencia.

1.4.1 OBJETIVOS EN LA COMPENSACIÓN DE LA CARGA Compensación de la carga es el manejo de la potencia reactiva para mejorar la “calidad de suministro” en sistemas eléctricos. Este término es usado cuando el manejo de la potencia reactiva es efectuado en una carga individual o grupo de cargas, y el equipo de compensación es instalado cerca de la carga. Las técnicas utilizadas y en efecto, algunas de los objetivos de la compensación de la carga, difieren considerablemente de los objetivos alcanzados en la compensación reactiva en el sistema de transmisión.



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En la compensación de las cargas hay tres principales objetivos:

• Corrección del factor de potencia. • Mejoramiento de la regulación de tensión. • Balance de la carga.

a) CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA Normalmente las cargas tienen factor de potencia en atraso, es decir absorben potencia reactiva. Por ello la corriente tiende a ser mayor que la requerida para suministrar solo la potencia activa, porque tiene una componente reactiva, incrementándose la caída de tensión y las pérdidas de potencia. Por ello la corrección del factor de potencia es la práctica de producir potencia reactiva, lo más cerca posible de la carga, en vez de que sea suministrada desde una central lejana o subestación. Diagrama Fasorial con carga sin compensación Eth, Z th: Thevenin visto desde la barra de carga.

Diagrama Fasorial al corregir completamente el fact or de potencia de la carga Ic: corriente del Equipo de Compensación Reactiva (ECR).



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b) REGULACIÓN DE TENSIÓN El consumo de potencia reactiva provoca variación de la tensión en la barra de suministro, que puede interferir con la operación eficiente de las plantas conectadas a esta barra. Para garantizar una adecuada operación, la NTCSE ha establecido límites para la tensión en las barras del sistema ±5%. La forma evidente de mejorar la regulación es incrementando la fortaleza del sistema, sin embargo la solución económica es diseñar el sistema para la demanda real y manejar la potencia reactiva mediante equipos de compensación, sin incrementar los niveles de cortocircuito. Diagrama Fasorial para tener tensión en la carga ig ual a la tensión de envío Ic: Corriente del ECR

La caída de tensión ∆ V, sus componentes y la ecuación para el cálculo de la tensión en la carga están dadas por:



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Si se instala un equipo de compensación (ECR) para que actúe como corrector del factor de potencia a la unidad, entonces:

Se aprecia que la caída de tensión es independiente de la potencia reactiva y no esta bajo su control. Se concluye que el ECR no puede mantener constante la tensión y a la v ez corregir el factor de potencia a un valor prefijado . c) BALANCES DE LAS CARGAS En sistemas eléctricos que tienen una potencia de cortocircuito baja, las cargas asimétricas o cargas monofásicas pueden producir asimetría en las tensiones del sistema y la sobrecarga en determinados componentes del mismo, así como también la generación de pérdidas adicionales en las máquinas eléctricas. Los Hornos de Arco constituyen una carga asimétrica con factor de potencia muy bajo (0.65 - 0.80) y que exhiben variaciones rápidas y aleatorias. Estas variaciones erráticas de la corriente reactiva provocan caídas de tensión y una irregular variación de la tensión en la barra de suministro al horno, denominada efecto flicker. Para lograr una tensión de alimentación constante para este tipo de cargas, las fluctuaciones de la potencia reactiva de la carga deben ser prácticamente eliminadas, esta compensación debe ser asumida por un ECR que posea un controlador automático con una estrategia de control monofásico.

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