Tema 6
Aplicación de capacitores al sistema de distribución.
La red de distribución esta formada por líneas (o cables) y transformadores, su modelo es una impedancia (resistencia y reactancia inductiva en serie).
Las cargas son múltiples y variadas, pero podemos pensar que en esencia son cargas resistivas (iluminación incandescente) o resistivas e inductivas (motores), su conjunto visto desde la red se puede representar con un modelo simple de una resistencia que consume la potencia activa, y una reactancia que corresponde a la potencia reactiva.
En ciertos casos en la red encontramos capacitores, su función es ayudar a un mejor comportamiento de la red (o de la carga), pero en principio se puede concebir la red y las cargas sin capacitores, estos parecen necesarios y convenientes para reducir perdidas, mejorar valores de tensión, filtrar armónicas y otros efectos que examinaremos.
Capacitores de potencia.
Los capacitores están esencialmente formados por un dieléctrico y dos capas de conductor, ingeniosamente realizados para aprovechar el espacio que deben ocupar.
En media tensión se presentan como cajas rectangulares con uno o dos aisladores si son monofasicos o tres si trifasicos.
En baja tensión se los conecta en D (para lograr mayor potencia aprovechando la mayor tensión compuesta), en cambio en media tensión se los conecta mas frecuentemente en estrella Y con el neutro separado de tierra, esta conexión permite usar capacitores de menor tensión nominal, cuando la rama esta formada por varios capacitores en paralelo el desequilibrio del neutro permite detectar fallas de elementos.
La tensión nominal de los capacitores tiene un valor máximo, para tensiones mayores se ponen mas elementos en serie.
Los bancos de tensión y potencia elevada están formados por disposiciones serie y paralelo de los elementos componentes, la falla y eliminación de un elemento (o su cortocircuito permanente) varia la distribución de tensión entre los otros.
Efectos de los capacitores serie y derivación (shunt)
Observemos una línea que alimenta una carga, plantearemos dos problemas, en paralelo a la carga pondremos un capacitor (derivación), y en serie en la línea pondremos otro capacitor (serie)
figura 6.1.El capacitor derivación Qc genera parte de la potencia reactiva que requiere la carga Q
P + j Q - j Qc
La potencia aparente absorbida por la carga se reduce, y como consecuencia se reduce la corriente y en la línea, sus perdidas, y la caída de tensión.
El generador (o la red equivalente) que alimenta la línea y la carga debe generar menos potencia tanto activa como reactiva.
El capacitor serie Xc reduce la reactancia de la línea x * long, la impedancia es:
r * long + j x * long - j Xc
La reducción de impedancia causa menor caída de tensión y menor perdida reactiva,
También se presentan mayores corrientes de cortocircuito, y durante estas, sobretensiones muy elevadas en el capacitor, respecto de las tensiones presentes en situación normal.
Es entonces necesario que los capacitores soporten las elevadas tensiones que se presentan, y por otra parte debe haber aparatos que limiten estas sobretensiones (descargadores, contactores de cortocircuito, u otros aparatos análogos).
Corrección del factor de potencia.
El factor de potencia es una característica de la carga que se obtiene de la relación entre su potencia activa y aparente. Históricamente el factor de potencia ha sido determinado como relación entre energías, en determinado tiempo.
En efecto el factor de potencia durante situaciones de cortocircuito (fallas) u otros transitorios (por ejemplo arranques de motores) no tiene significado, y no se trata de lograr su mejora en estos breves momentos, lo cual también representaría un muy bajo aprovechamiento del equipo destinado a esa función.
Determinado el factor de potencia que presenta una determinada carga o un conjunto, puede ser de interés mejorarlo alcanzando determinado objetivo, y esto se consigue con cierta potencia capacitiva:
Cosfi = P / (P^2 + Q^2)
Cosfimejorado = P / (P^2 + (Q - Qc)^2)
De estas relaciones se puede determinar Qc, este valor debe ser redondeado para ajustarlo a componentes del mercado, y siempre conviene exceder el valor calculado, para estar seguros de que se alcanza el objetivo.
En rigor P y Q varían en el tiempo, Qc se determina para el valor máximo, y se puede mantener fijo, o variable (esta ultima opción es más costosa y compleja, y puede ser inconveniente).
Aplicación de capacitores, justificación económica.
La reducción de perdidas es el primer justificativo económico de la aplicación de capacitores. También hemos visto que su aplicación lleva a reducir la potencia que debe generarse y transmitirse, lo que significa menor inversión en la red, o postergación de inversiones necesarias por el crecimiento, y menor costo de la energía generada. Si se proyecta con este criterio los capacitores son indispensables.
Frecuentemente la tarifa incluye limites de cosfi, y multas si se esta debajo del cosfi limite. La razón de este accionar esta en las mayores perdidas que se presentan en la red, y el menor aprovechamiento útil de la misma, que obliga a ampliaciones anticipadas.
Si se analiza cierto periodo de facturación con multas, y se simula con dada compensación, la situación sin multas (o con beneficios o incentivos como se presentan en algunos casos) se encuentra una justificación económica a la mejora del factor de potencia, que frecuentemente implica una rápida amortización de los equipos dedicados a esta función.
Además mejoras técnicas como menores perdidas, mejores tensiones, mayor disponibilidad de equipos, se transforman en una ulterior ventaja económica que puede evaluarse, y tenerse en cuenta.
Sin embargo la aplicación de capacitores puede originar algunos inconvenientes, la red con capacitores e inductores es causa de resonancias armonicas que exaltan corrintes o tensiones, y estos efectos deben controlarse.
Ubicación optima.
Razonando sobre las perdidas, surge la tentación de distribuir capacitores asociados a cada carga, solución que implica mal aprovechamiento de la potencia capacitiva que se instala.
El otro extremo del razonamiento es concentrar la potencia necesaria (que detecta la medición de energía) en un único punto de la red, razones técnicas lo individualizan próximo a la mayor carga o en el punto desde ingresa la energía a la red.
Entre ambas situaciones se pueden encontrar soluciones intermedias con ventajas, como puede ser en un punto intermedio o final de cada alimentador (con cargas distribuidas o concentradas al final).
Cuando se decide poner capacitores en bornes de motores, su potencia queda limitada, ya que se producen fenómenos de exaltación de tensiones al desconectar la carga.
Transitorio.
La inserción de capacitores causa fenómenos transitorios en la red. Al insertar un banco este se encuentra descargado, si la tensión es nula el banco se carga a la frecuencia de red, si en cambio se presenta la tensión máxima (en el sistema trifasico esto puede ocurrir en una fase) aparece un transitorio con elevado pico y frecuencia regulada por en circuito LC (red capacitor)
El transitorio de corriente que carga el banco, genera un transitorio de tensión en la red que alimenta otras cargas, y eventualmente otros bancos, pudiendo observarse sobrecorrientes y distorsiones asociadas.
Un transitorio particularmente importante es cuando se inserta un banco próximo a otro en servicio, aparece en este caso una corriente de gran amplitud entre los bancos, y para contener esta corriente es necesario instalar reactores (de choque) de cierta impedancia.
Ferrorresonancia.
Considérese un circuito LC que se alimenta con tension E, se determinan las tensiones presentes sobre L y C
EL = E / (1 – XC / XL)
EC = E / (1 – XL / XC)
Hasta aquí se observa que según sea la relación XL / XC y en particular próxima a 1 resultan elevados valores de EL y EC. El circuito ferroresonante XL depende de la característica BH
El reactor con núcleo de hierro opera cerca del punto de saturación, un pequeño incremento de tensión puede ser causa de una importante reducción de XL y se pueden alcanzar valores de resonancia
Los efectos de ferroresonancia se pueden evitar, a continuación se indican opciones de instalación que tienden a evitar este fenómeno:
Armónicas.
La evolución y modernización de las cargas eléctricas ha traído aparejada una gran dosis de electrónica que es responsable de la aparición de armónicas en la red,
El tema se encara observando de un lado la fuente de Thevenin equivalente (de frecuencia industrial), e integrando la carga con las fuentes armónicas que aparecen consecuencia de su funcionamiento, la red funciona con fuentes de frecuencia fundamental, y fuentes de armónicas y se estudia aplicando el principio de superposición (con limitaciones frente a fenómenos no lineales)
El efecto de las armónicas inyectadas por las cargas, es una deformación en la tensión, que hace que las cargas lineales absorban corriente también deformada. Las corrientes armónicas en la red a su vez también producen efecto de perdidas adicionales.
Se debe tratar de que las armónicas no se presenten en la red, y como no se puede impedir que se generen, se debe tratar de evitar que se propaguen a distancia.
La aplicación de capacitores en la red puede exaltar las armónicas presentes, ya que se presentan circuitos resonantes, un transformador con capacitores en su secundario es visto desde la red como un filtro con una frecuencia de resonancia a la cual se minimiza (anula) la impedancia, por lo tanto se comporta drenando las corrientes armónicas presentes en red.
Si observamos el circuito desde el lado carga el capacitor se encuentra en paralelo con la impedancia del transformador y la red, para la frecuencia de resonancia la admitancia se anula, la corriente inyectada se exalta, amplificado la armónica inyectada por la carga y haciéndola aparecer en la red.
Se hace necesario estudiar esto fenómenos, y prever medios para limitar su propagación.
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IE-16per - PERTURBACIONES EN REDES FILTROS DE ARMÓNICAS EN INSTALACIONES DE POTENCIAProblemas y soluciones
Observando desde la alta tensión el transformador cargado con los capacitores, la impedancia se anula para la armónica de resonancia, el filtro serie absorbe las armónicas que se generan en la red, la carga resistiva en paralelo a los capacitores tiene efecto amortiguador, y disminuye la corriente armónica absorbida, la tensión en la carga es consecuencia se distorsiona.
Si la carga genera armónicas, la armónica de resonancia encuentra un circuito resonante paralelo del capacitor con el transformador y la impedancia de red, estos elementos se cargan con la corriente de resonancia y también se distorsiona la tensión.
Se fija un coseno fi objetivo 0.95 que se desea cumplir en el punto de inicio del cable. Buscar un punto conveniente para instalar un banco de capacitores único, y explique las razones de la elección. Determinar las variaciones de caída de tensión, las perdidas, y otras variables de interés.
La solucion de este problema se hace utilizando la planilla
prob-6-5.xls incluida cfaraday.zip, Observando la planilla en la que se imponen los datos del problema (tambien se deben imponer las secciones de los cables para lograr una caida de tensión total aceptable, que se ha fijado 5%) se obtienen los resultados siguientes: caida 5.35%, perdidas 58.58 kW = 1. 56 %Para alcanzar un cosfi 0.95 se debe instalar un banco de capacitores de 2.1 MVAr (que si coincide con una carga, sera una carga neta de 0.375 MW – j 1.77 MVAr) que puede ponerse al final del cable lográndose los resultados siguientes: caida 4.71%, perdidas 40.51 kW = 1.08 %
Seleccionando el séptimo centro de carga se obtiene la condicion de minima caida y perdidas, los resultados son: caida 4.55%, perdidas 36.24 kW = 0.966 %