Como todos los sistemas de la red de alta tensión se encuentran hoy conectados entre sí en varios puntos, el control del flujo de energía se hace cada vez más necesario. La regulación de tensión clásica sin desplazamiento de fase ya no es suficiente en estas situaciones.
La solución son los transformadores para regulación del ángulo de fase o desfasadores (PST, de su abreviatura en inglés). Estos se dividen en dos familias: PST con una parte activa (un solo núcleo) y PST con dos partes activas (doble núcleo). Una parte activa permite regular independientemente el ángulo de fase y la tensión, hasta un cierto nivel de tensión y de potencia limitados. Para potencias y tensiones más altas, lo ideal es un PST con dos partes activas.
Un transformador desfasador es un
tipo especial de transformador de interconexión de sistemas. Ofrece la
posibilidad de insertar una tensión con un decalaje de fase arbitrario en el
sistema eléctrico. Se utiliza con dos fines principales:
- Para controlar el flujo de
potencia entre dos grandes sistemas de potencia independientes;
- Para equilibrar la carga cuando
los sistemas de potencia están conectados entre sí en más de un punto, con
existencia de bucles y las impedancias en trayectorias paralelas dan lugar a
una distribución no deseada del flujo de potencia en las trayectorias.
A continuación, se ilustran algunos
ejemplos.
Figura 1
A y B en la Figura 1 son dos
sistemas de potencia conectados por una línea con impedancia Z. Para transmitir
potencia activa del sistema A al sistema B, la tensión a la izquierda de Z, U,
debe estar adelantada con respecto a la tensión a la derecha de Z. Para
simplificar la ilustración, se desprecia la parte real de Z y se supone que el
factor de potencia en B es 1. El transformador es un transformador desfasador
que inserta una tensión ΔU en serie con la impedancia Z. El transformador se
considera ideal, es decir, se desprecia la impedancia del transformador. Las
tensiones en A y B son aproximadamente iguales, UA≈UB.
ΔU
se ajusta de forma que:
ΔU
– I · Z = 0
Se aplica el siguiente diagrama
vectorial:
Figura 2
En otro ejemplo hay dos sistemas
de potencia que están unidos en dos puntos. El flujo de potencia va entonces en
dos ramas con impedancias ZA y ZB. El valor de las dos
impedancias determina la distribución del flujo de potencia a través de las dos
ramas. Esta distribución puede no cumplir con la distribución deseada.
Figura 3
Mediante un transformador
desfasador se introduce una tensión ΔU en el sistema B, que aumenta la
intensidad IB y disminuye IA para una intensidad de carga
total I dada. Lo ilustraremos con un ejemplo numérico.
Supongamos que la diferencia
entre ZA y ZB es bastante grande, digamos ZA =
300 y ZB = 3000, es decir, de relación 1:10. Para simplificar la
demostración del efecto principal del uso de un transformador desfasador, no se
tendrá en cuenta la parte real de ZA y ZB. Supongamos
además que la tensión del sistema es de 800 kV y que la potencia total que se
transmite del lado izquierdo al derecho en la figura es de 1000 MVA. La
corriente total I es entonces de 722 A. Supongamos primero que ΔU
= 0, es decir, que no existe transformador desfasador en el sistema B. Unos
cálculos sencillos muestran que IA = 656 A e IB = 66 A,
lo que representa el 9 y el 91% de la corriente de carga total,
respectivamente.
Supongamos que la distribución
deseada de la corriente de carga es, por ejemplo, el 50% de la corriente total
en cada uno de los dos sistemas A y B. 361 A provocan una caída de tensión de
10 830 V en ZA y 108 300 V en ZB. Un ΔU
de tensión adicional insertado en el sistema B para aumentar la corriente a
través de ZB de 66 a 361 A debe entonces compensar la diferencia de
97 470 V entre las dos caídas de tensión.
Un transformador desfasador puede
proporcionar esta tensión adicional. Supongamos que el factor de potencia de la
corriente de carga I es 1. Las siguientes relaciones vectoriales existen
antes y después de la inserción de ΔU, ver Figura 4.
Figura 4
Para conseguir ΔU,
el transformador desfasador debe proporcionar en sus bornes secundarios una
tensión UT superior a la tensión primaria U1 y, además,
decalada un ángulo δ en sentido positivo con respecto a U1 (el
sentido positivo se define en sentido antihorario). δ puede calcularse a partir del
diagrama vectorial de la derecha y es, en este caso, de 11,9º.
Si la corriente de carga total es
sólo la mitad de 722 A y se sigue deseando una distribución del 50/50% entre
los sistemas A y B, las caídas de tensión a través de ZA y ZB
serán sólo la mitad de las del ejemplo anterior. La necesidad de tensión
adicional para conducir la corriente deseada a través de ZB también
será entonces sólo la mitad, es decir, 0,5 · 97 470 V = 48 735 V. El ángulo de
desplazamiento δ pasa a ser ahora de 6°.
Si ZB hubiera sido
menor que ZA, la dirección de ΔU debería ser la opuesta para
evitar que la corriente IB fuera demasiado alta en relación con la
distribución de carga deseada.
También el factor de potencia (cos φ) de la corriente de carga I influye en el ángulo de desplazamiento requerido.
En el ejemplo anterior no se ha
tenido en cuenta la impedancia del transformador desfasador. En realidad, la
impedancia del transformador se sumará a la impedancia del sistema y puede
hacer necesario un desplazamiento angular mayor.
Cabe señalar que el transformador
desfasador influye en el intercambio de potencia activa y reactiva entre
sistemas o ramas de sistemas.
Para cumplir las intenciones del
usuario, el transformador desfasador debe ser capaz de variar el ángulo de
desplazamiento en pasos adecuados dentro de un rango determinado.
La forma básica de proporcionar
un ángulo de desplazamiento variable (desplazamiento de fase) entre la tensión
primaria y secundaria en un transformador consiste en conectar el devanado de
un transformador trifásico de un sistema o rama en serie con un devanado del
transformador situado en otro sistema o rama.
Figura 5
En principio, el desplazamiento
angular puede obtenerse mediante un transformador trifásico de un solo núcleo.
Sin embargo, la aplicación de los transformadores de desplazamiento de fase es
principalmente en sistemas de muy alta tensión, y la potencia nominal de paso
es bastante grande. Para ajustar la tensión y la corriente a los cambiadores de
tomas disponibles, puede ser necesario utilizar dos transformadores separados,
uno principal y otro en serie En el circuito donde se encuentra el cambiador de
tomas, la tensión puede elegirse independientemente de la tensión de servicio
de la red eléctrica.
Figura 6
La figura 6 muestra un diagrama
principal de cómo se conectan entre sí el transformador principal y el
transformador serie. El cambiador de tomas suele estar situado en el secundario
del transformador principal.
En la figura 7 se muestra un
diagrama de conexión trifásica más detallado. Una tensión, que puede variar de magnitud,
procedente del secundario del transformador principal se aplica a una fase
diferente del primario del transformador serie. La tensión transferida al
secundario (alta tensión) del transformador serie se desplazará entonces un
ángulo 2π/3
con respecto a la tensión del lado de la fuente. Al variar la magnitud de la
tensión insertada por el transformador serie se consigue un ángulo variable δ
entre la tensión del lado de la fuente y la tensión total del lado de la carga
del transformador de cambio de fase, que es la suma vectorial de la tensión del
lado de la fuente y la tensión desplazada 2π/3 proporcionada por el
transformador serie.
Figura 7
La disposición con transformador
principal y serie también puede realizarse de muchas otras formas diferentes.
El desplazamiento de fase requiere una cierta potencia aparente, que se ilustra
en la figura 8.
Figura 8
Del diagrama se deduce que Sδ =
2·S·sen(0,5·δ),
donde Sδ
es la potencia de desfase y S la potencia aparente de paso. El transformador
principal y el transformador serie deben estar dimensionados para la potencia
máxima de desfase.
Si, por ejemplo, el ángulo máximo
δ
= 30° y la potencia aparente nominal de paso es de 1000 MVA, la potencia
nominal del transformador principal y del transformador serie será de 520 MVA
cada uno (1000·2·sen(30/2) = 520). En la mayoría de los casos, la tensión de
servicio también es alta.
En otras palabras, las unidades
son bastante grandes. Debido a las limitaciones de transporte, los dos
transformadores suelen colocarse en cubas separadas.
En cuanto a la protección
diferencial por relé de los transformadores desfasadores, hay que tener en
cuenta que una diferencia de ángulo de fase considerable entre la corriente de
origen y la de carga provoca una diferencia de corriente normal mucho mayor que
en los transformadores de potencia ordinarios, por lo que se requiere un
esquema diferencial especial.
Un cortocircuito en el circuito
entre el transformador principal y serie sería muy perjudicial para los
transformadores, por lo que se recomienda prever canalizaciones alrededor de
los conductores que conectan el secundario del transformador principal y el
primario del transformador serie.
En los transformadores desfasadores
con transformador principal y serie (diseño con dos núcleos) hay una cuestión
de diseño dieléctrico que requiere especial atención. Si se produce una tensión
transitoria en cualquiera de los lados del devanado en serie del transformador serie,
el devanado conectado del transformador magnetizador también estará expuesto a
una tensión elevada, y pueden producirse oscilaciones de alta frecuencia en los
conductores que conectan los dos transformadores. Para calcular la distribución
de tensiones transitorias en esta configuración pueden ser necesarios modelos
matemáticos más completos que en un transformador de un solo núcleo.
El uso de transformadores
desfasadores es siempre un caso especial, donde el criterio de diseño varía de
un cliente a otro en base a las especificaciones y requisitos de cada red. Como
estos transformadores constan generalmente de unidades muy pesadas y de gran
potencia, las limitaciones de fabricación y de transporte deben tenerse muy en
cuenta.
Se recomienda un diálogo entre el
comprador y el proveedor sobre la protección contra sobretensiones.
Elevadores de cuadratura (QB)
Una variante de los PST de doble
núcleo, el elevador de cuadratura (Quadrature Booster en inglés), ofrece una
solución económica cuando se requieren ángulos de desfase y variaciones de
tensión limitados.
Figura 9:
Transformador elevador de cuadratura de 2750 MVA, 80/400 kV
Los transformadores elevadores de cuadratura son combinados
para la regulación de potencia o auto transformadores con un transformador
desfasador, el transformador desfasador, el cual puede ser de un núcleo o dos, es
alimentado desde el lado de regulación del transformador de potencia, como se
muestra en la figura 10. Este método permite que el voltaje de salida sea
ajustado en cuatro cuadrantes tanto en magnitud como en fase.
Figura 10: Esquema de conexión simplificada de un transformador elevador de cuadratura
Información que debe facilitar
el comprador en la especificación
Además de la información
necesaria sobre los transformadores de potencia ordinarios, en primer lugar hay
que indicar la gama de desplazamiento angular total deseada. La gama de
desplazamiento debe especificarse principalmente en vacío. Sin embargo, el
comprador debe asegurarse de que la gama sea lo suficientemente amplia también
en las condiciones de carga pertinentes, ya que la impedancia del
transformador, que puede variar considerablemente en la gama de regulación de
los transformadores desfasadores, hace que la gama de desplazamiento sea menor
que en vacío. Por lo tanto, el comprador debe especificar la gama de
desplazamiento deseada en condiciones de carga específicas o, alternativamente,
indicar las gamas aceptables para la impedancia del transformador.
Además, el comprador debe
facilitar información al proveedor sobre:
- el sistema eléctrico en el que
va a funcionar el transformador;
- la finalidad del transformador;
- los dispositivos de maniobra
que se van a utilizar para poner y quitar el transformador de servicio;
- si se va a instalar un
interruptor de derivación;
- si el transformador va a
funcionar en serie con baterías de condensadores en serie;
- si el transformador va a
funcionar con otros dos o más transformadores desfasadores en paralelo o en
serie.
La lista anterior no debe
considerarse exhaustiva.
También cabe hacer referencia a
las normas IEEE C57.135-2001 y CEI 62032:2012 Guide for the Application,
Specification, and Testing of Phase-Shifting Transformers.
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