Esquema de
principio de interconexión de una Generación Distribuida (GD) eólica a un
sistema eléctrico
Normalmente la
generación eólica (GD) se conecta al sistema a través de un transformador con conexión
triángulo-estrella a fin de adecuar las tensiones. El circuito en triángulo se
conecta al sistema y la estrella, con su centro puesto a tierra, se conecta al
generador. Este esquema, en presencia de fallo de una fase (o dos fases) del
lado del sistema requiere alguna acción por parte de la protección que gobierna
al interruptor conectado directamente en los bornes del generador. Si se da la
orden de apertura, se reúnen las condiciones óptimas para la presencia del
fenómeno denominado “ferroresonancia”. Este fenómeno es la resonancia entre las
capacidades parásitas de cables del lado del sistema y la inductancia
magnetizante del bobinado del transformador conectado en triángulo, que bajo
estas condiciones se encuentran en serie. La consecuencia es la aparición de
una sobretensión de forma irregular, con onda cuadrada, cuya amplitud puede
alcanzar valores de 4 pu, como se muestra en la figura 1 (c).
Fig. 1: (a) Variación
de tensión en función de la frecuencia para PST = 1, con variación
rectangular (1) y senoidal (2). (b) Variación de la potencia de salida debida a
las ráfagas de viento. (c) Ejemplo de comportamiento de la tensión frente a
Ferroresonancia
La sobretensión se
mantiene hasta que se daña el aislamiento del conductor o transformador, y las
autoválvulas de protección contra sobretensiones del primario o secundario, lo
que provoca la operación de la protección aguas arriba, desconectando el sistema.
En caso de que no se dé la orden de apertura, el generador se mantendrá
funcionando con una importante componente de secuencia negativa, que lo dañará
por sobrecalentamiento si no se la elimina en un corto tiempo.
Figura 2: Esquema
de Conexión Transformador Generador que conduce a la aparición de
ferroresonancia
La
principal característica del esquema de la figura 2 es su alto riesgo de
ferroresonancia en caso de faltlo de alguna fase en el alimentador, que ocurre
cuando opera alguno de los fusibles colocados en el alimentador y el generador
es desconectado del transformador siguiendo las exigencias vigentes. Reuniendo
las condiciones para ferroresonancia: falta de una o dos fases en la
alimentación, capacidades contra tierra (concentradas en forma de condensador o
distribuidas en forma de cable) y arrollamiento en triángulo o sea sin tierra
de referencia, como puede verse en Figura 2. La ferroresonancia representa la
mayor sobretensión de régimen permanente que puede presentarse en un sistema
eléctrico, cuya onda es fuertemente distorsionada (figura 1 c), Como se ha
indicado anteriormente, el dejar el generador conectado no es una solución, ya
que lo sometería a una elevada sobrecorriente de secuencia negativa. La
solución consiste en el uso de protección contra falta de fase o la reducción de
capacidad del lado del sistema.
Las
ventajas más importantes en este tipo de conexión son: las armónicas triples
generadas por el GD no alcanzan el sistema de potencia, suministra algo de
aislamiento a los huecos de tensión del sistema y no aporta corriente en los defectos
a tierra del sistema. Entre las desventajas pueden citarse: su exposición a la ferroresonancia
debido a los cables de alimentación, calentamiento por las corrientes de
tercera armónica entre generador y transformador en estrella a tierra, frente a
un fallo a tierra en isla la puesta a tierra tampoco evita la ferroresonancia.
Aumento de los esfuerzos eléctricos en las terminaciones de los
cables de potencia
En el
momento de ocurrir el fenómeno de ferroresonancia, los cables son uno de los
elementos más afectados, debido a que el circuito LC serie es predominantemente
capacitivo, lo cual provoca un aumento significativo del campo eléctrico en el
cable de potencia. Este aumento en el potencial hace que los esfuerzos en los
extremos del cable (terminales), sean mucho mayores y puedan provocar desgaste
en el aislamiento hasta debilitarlo.
El problema
principal, que se presenta en los cables de potencia, es que la distancia de
fuga se ve altamente reducida en el extremo del cable; esto se hace evidente
por la distancias tan pequeñas que queda entre el conductor principal y la
pantalla de blindaje.
Debido a la
simetría radial del cable, los campos eléctricos son uniformes, desde el centro
hasta la pantalla de blindaje (referida a tierra); al terminarse esta pantalla,
el medio que queda es el aire que tiene una constante dieléctrica menor que la
de la pantalla, por lo tanto, la dirección del campo eléctrico en la frontera
se distorsiona y busca la ruta más cercana hacia la pantalla. Esto provoca que
las líneas equipotenciales se modifiquen y los gradientes de potencial se
vuelvan peligrosos, y afectan en esa forma las distancias de fuga a riesgo de
producirse un corto circuito (figura 3).
Figura
3: Campos eléctricos en los cables de potencia
La solución
a este problema, es hacer una terminación (mufa) al extremo del cable con un
material, hecho con una constante dieléctrica similar al aislamiento primario,
con lo cual se logra que el campo eléctrico se mantenga relativamente constante
en la frontera y disminuyan los gradientes de potencial (figura 4).
Figura
4: Reorientación de las líneas de campo eléctrico en las terminaciones de los
cables de potencia
Sobre
calentamiento en el núcleo de los transformadores
Al concentrarse
en los transformadores, las sobretensiones provocan aumentos directos en el
flujo magnético, los cuales hacen que los momentos magnéticos en el núcleo de
los transformadores se alineen en su totalidad, y ya no contribuyan al
crecimiento de la densidad de flujo magnético (B).
Como
consecuencia de esto, la permeabilidad del núcleo disminuye y la intensidad del
campo magnético (H) aumenta muy rápidamente a pequeños aumentos en la densidad
de flujo (B), lo que deriva en aumentos considerables en la corriente de
excitación.
Las altas
densidades del flujo magnético (Φ) en el núcleo de los transformadores dan
lugar a campos eléctricos inducidos (según la ley de Faraday E = - dΦ/dt), que
ocasionan una gran cantidad de corrientes parásitas, que circulan en el núcleo
y se oponen al cambio de la densidad de flujo (B), como se muestra en la figura
5.
Figura
5: Corrientes parasitas en el núcleo de los transformadores
Asimismo la
distorsión en la forma de onda del voltaje aplicado al transformador (debido a
la Ferrorresonancia), hace que estos campos eléctricos inducidos sean de mayor
magnitud como consecuencia de aumentos en la frecuencia (dΦ/dt aumenta).
Esto
provoca altas pérdidas en el núcleo de los transformadores por calentamiento
óhmico I2R, con temperaturas elevadas en vacío, que pueden llegar a
ser de magnitudes mayores a las provocadas por sobrecarga.
Condiciones favorables para la ferroresonancia en Parques Eólicos
- Conexiones largas de cables que alimentan los transformadores
- Potencia de carga menor de 3 veces la del generador
- Capacidad del sistema entre el 25 % y el 500 % de la potencia del generador
- Maniobra de transformadores o líneas sin carga
- Transformadores de tensión monofásicos en la red con neutro aislado o altamente inductivo.
- Conexión simultanea de transformadores y cables (capacidades)
- Subestación con transformador/s con neutro aislado o inductivo
- Protección con fusibles cuya fusión produce cortes no omnipolares
- Defectos de aislamiento
- Fuentes con pequeña capacidad de cortocircuito (alternadores)
- Distorsión de la forma de onda de tensión y corriente
- Desplazamiento de tensión del punto neutro por defecto monofásico en la red con neutro aislado.
Cuanto
mayor sea el número de estas condiciones que se den en el sistema mayor será el
riesgo de ferroresonancia.
Soluciones para limitar la ferroresonancia:
Ø En transformadores de tensión:
- Introducir pérdidas gracias a una o más resistencias de bajo valor amortiguan de forma eficaz el fenómeno, asegurando que la potencia total consumida respeta las condiciones de precisión requeridas.
Figura
6: Disposición de protección contra riesgos de ferroresonancia en
transformadores de tensión: a) de un secundario, b) de dos secundarios.
Ø En transformadores de distribución:
- Disponer los interruptores de maniobra muy cercanos al transformador y maniobrar verificando la existencia de tensión en las tres fases.
- Evitar utilizar el transformador consumiendo una potencia activa inferior al 10 % de su potencia aparente nominal.
- Evitar conexiones en vacío
- Prohibir las maniobras monofásicas o la protección por fusibles cuya fusión puedan producir cortes unipolares o bipolares.
- Poner a tierra el neutro del transformador de Subestación a través de una resistencia
- Puesta a tierra directa de los neutros de los transformadores de distribución (permanente o sólo durante la maniobra de conexión o desconexión) donde el primario está en conexión estrella.
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