Transformadores HVDC

 

HVDC significa corriente continua de alta tensión. La primera línea de transmisión HVDC se estableció en Suecia en 1954. Desde entonces se han instalado muchos sistemas de transmisión HVDC en todo el mundo. La transmisión HVDC es a veces una alternativa económica y técnicamente ventajosa a la transmisión en corriente alterna. Esto se aplica especialmente cuando se transmiten grandes cantidades de energía a largas distancias por línea aérea o bajo el mar mediante cable submarino. En la Figura 1 se muestra el diagrama básico de una transmisión HVDC.

 

Figura 1

 Una transmisión HVDC tiene una estación convertidora en cada extremo de la línea o cable. Los principales componentes de las estaciones convertidoras son los transformadores y las válvulas La tensión alterna de un sistema de alimentación se transforma a un nivel de tensión adecuado para que el convertidor rectificador transmita la potencia prevista. A continuación, se rectifica en una disposición de convertidores con válvulas controladas que consta de muchos semiconductores tiristores. En el extremo receptor de la línea o cable hay otra estación convertidora. Ésta funciona como un inversor que vuelve a convertir la corriente continua en alterna, que a su vez se transforma a la tensión de la red a la que se suministra. La dirección del flujo de energía puede cambiarse fácilmente sin interrumpir el servicio.

En comparación con las líneas de transmisión de c.a., las líneas de c.c. pueden funcionar con corredores más estrechos. De este modo pueden salvarse grandes extensiones de terreno de cultivo o bosques. Además, los aspectos de estabilidad no limitan la capacidad de transmisión de potencia de la línea.

Para una cantidad dada de material conductor en la línea, las pérdidas en una línea de c.c. son menores que las pérdidas en una línea de c.a.

Mediante HVDC pueden conectarse sistemas de c.a. no síncronos. Los transformadores se encargan de que no haya contactos galvánicos entre los equipos de c.c. y los sistemas de c.a. Esto impide que la corriente continua entre en los sistemas de c.a.

Las corrientes que circulan por los devanados de los transformadores convertidores contienen ciertos armónicos cuyas magnitudes dependen de los parámetros de la estación convertidora. El método para determinar las pérdidas de carga de los transformadores se basa en dos mediciones de pérdidas de carga, ciertas hipótesis y un esquema de cálculo específico. Véanse los apartados 7.4 y 10.3 de la norma lEC 61378-2.

El proveedor del transformador calculará el valor de la pérdida de carga de servicio real basándose en un espectro armónico dado para la corriente de carga. El comprador deberá proporcionar este espectro. La figura 2 muestra un ejemplo de espectro de corriente armónica de una conexión de 6 pulsos.

Ejemplo de espectro de corriente armónica en p.u. de la corriente de frecuencia fundamental en una conexión de 6 pulsos

Figura 2

La Figura 2 muestra que los armónicos 5º y 7º son los mayores. Los armónicos superiores disminuyen al aumentar el número de armónicos.

Una conexión de 6 pulsos significa que hay 6 pulsos en la tensión continua por periodo de la tensión alterna fundamental, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3

La Figura 3 muestra cómo varía la tensión continua durante un periodo de la tensión del sistema de c.a. La tensión continua consta de 6 pulsos durante un periodo. No es una línea recta ideal, los pulsos aparecen como una ondulación en la tensión continua.

La ondulación puede reducirse combinando dos puentes de válvulas de 6 pulsos en una conexión de 12 pulsos, tal como se muestra en la Figura 4. De este modo, los armónicos 5º y 7º se reducen. Por lo tanto, los armónicos 5º y 7º desaparecen de la corriente suministrada desde la red alterna. Sin embargo, los armónicos 5º y 7º siguen circulando entre los dos transformadores del grupo de 12 pulsos y pueden contribuir considerablemente a las pérdidas de carga totales en los transformadores. El 5º armónico puede suponer casi el 20% de la corriente de la frecuencia fundamental.

En la estación en la que la corriente continua se convierte en corriente alterna, la corriente puede, en principio, convertirse a cualquier frecuencia. La frecuencia puede venir dada por el propio sistema de c.a. o por una máquina síncrona independiente. Por lo tanto, un enlace HVDC es adecuado para conectar sistemas de c.a. con diferentes frecuencias, por ejemplo 50 y 60 Hz.

Figura 4

Las tensiones en los lados de las válvulas de los dos transformadores de la Figura 4 se desplazan 30 grados eléctricos entre sí conectando uno de los devanados en estrella y el otro en triángulo. Obsérvese que las tensiones entre fases de los dos transformadores son las mismas en el lado de las válvulas y en el lado de la red de corriente alterna.

 

Figura 5

La Figura 5 ilustra el rizado reducido en la tensión continua de una conexión de 12 pulsos en comparación con la conexión de 6 pulsos de la Figura 3.

La relación entre la tensión continua ideal a través de los dos puentes de la figura 4 y la tensión entre fases en el lado de las válvulas de los transformadores puede escribirse en vacío como sigue:

En esta ecuación

·         U_D es la tensión continua a través de los dos puentes de válvulas conectados en serie de la figura 4

·         U_ac es la tensión fase-fase en el lado de las válvulas del transformador

·         α es el ángulo de retardo de las válvulas (ángulo de control)

Para α = 0 la tensión U_D se convierte en 2,7 Uac. En condiciones de carga, la caída de tensión en el transformador y las válvulas reduce el factor de conversión de 2,7 al intervalo de 2,4 - 2,5 normalmente.

Las pérdidas en un puente convertidor se sitúan en torno a la mitad porcentual de la potencia de paso, mientras que la caída inductiva es del 5 - 10%.

El devanado del lado de las válvulas del puente inferior (el puente más cercano a tierra) de la Figura 2-20 está expuesto a un potencial de c.c. de aproximadamente una cuarta parte del potencial de la línea de c.c. y el devanado del lado de las válvulas del puente superior a tres cuartas partes del mismo potencial.

La distribución de tensión entre el aislamiento sólido y fluido del transformador es capacitiva cuando se expone a c.a. Esto significa que la distribución de la tensión y las tensiones dieléctricas vienen determinadas por la permitividad de los materiales.

Por el contrario, cuando se exponen a un potencial de corriente continua, la distribución de la tensión y las tensiones dieléctricas vienen determinadas por la resistividad de los materiales. Los materiales aislantes son básicamente los mismos: aceite mineral y productos de celulosa. Como la resistividad de los materiales aislantes sólidos es considerablemente mayor que la resistividad del aceite del transformador, casi toda la tensión continua pasa a través del aislamiento sólido. Por consiguiente, los transformadores HVDC contienen una proporción mucho mayor de aislamiento sólido que los transformadores de corriente alterna, unas tres veces más.

Muchos sistemas de transmisión con tensiones de c.c. de hasta ±600 kV están en funcionamiento. Para demostrar la capacidad de soportar la tensión de c.c., los devanados de válvula de los transformadores HVDC se someten a las siguientes pruebas:

- ensayo de resistencia a la tensión de la fuente separada de cc. Véanse los apartados 8.2.3 y 10.4.3 de la norma IEC 61378-2;

- ensayo de inversión de polaridad. Véanse los apartados 8.2.4 y 10.4.4 de la norma IEC 61378-2.

Para controlar la tensión de servicio, los transformadores HVDC están equipados con un rango de tomas bastante amplio en el lado de la línea. Además, es necesario controlar estrictamente la impedancia de cortocircuito de los transformadores. La desviación de la impedancia entre fases individuales debe ser pequeña.

La norma IEC 61378-2 especifica que la variación de la impedancia en la toma principal y la variación de la impedancia en el intervalo de tomas para transformadores de diseño duplicado o similar para una aplicación idéntica en servicio o capacidad de intercambio no debe superar ±3% de los valores medios de ensayo.

La razón de este requisito es, en gran medida, la necesidad de una cancelación eficaz de los armónicos en una conexión en puente de 12 pulsos. Las grandes variaciones entre fases, unidades y devanados conectados en estrella y triángulo aumentarán el tamaño de los filtros.

Como alternativa a los transformadores mostrados en la Figura 4 con dos transformadores trifásicos, uno con bobinado conectado en triángulo y otro en estrella en el lado de las válvulas, podrían utilizarse tres transformadores monofásicos. En ese caso, cada transformador tiene dos devanados en el lado de las válvulas, uno para conexión en (d) y otro para conexión en (y) en un banco con los otros dos transformadores monofásicos.

Si se desea un transformador de repuesto, la solución de transformador monofásico tiene la ventaja de que un solo transformador monofásico puede cubrir la necesidad. La elección de la solución, transformadores trifásicos o monofásicos, también puede depender de las restricciones de dimensiones y peso de la unidad.

Un convertidor moderno de alta tensión y gran capacidad es un producto sofisticado que requiere experiencia y gran habilidad en el diseño y un control de calidad específico en la producción.

Figura 6: Válvulas de convertidor