Comportamiento armónico de una red

 

La cuestión de los armónicos afecta esencialmente a las redes eléctricas que alimentan equipos contaminantes con una potencia relativa suficientemente elevada con respecto a la fuente, así como a los condensadores.

En efecto, todo funcionamiento de una red eléctrica alterna va acompañado de una distorsión de las ondas sinusoidales de tensión e intensidad, debido a la naturaleza de los equipos o fuentes.

La noción de contaminación armónica de una red se cuantifica por la distorsión de la señal traducida en una descomposición espectral en amplitud y fase: onda fundamental (50 o 60 Hz) y rangos armónicos (enteros y continuos). De ello se deduce:

■ el índice global de distorsión armónica (THD) de las magnitudes de tensión y corriente, que es una medida del valor eficaz de la contaminación con respecto a la fundamental;

■ las leyes de composición de las magnitudes armónicas en relación con las amplitudes y las fases.

Objetivos

El estudio del comportamiento armónico de una red tiene por objeto:

■ identificar las situaciones de riesgo, que pueden provocar funcionamientos anómalos o sobrecalentamiento de ciertos equipos, envejecimiento prematuro de los equipos, perturbaciones electromagnéticas o mecánicas;

■ determinar las precauciones que deben tomarse para contener al máximo estas situaciones, garantizando así una contaminación aceptable en materia de normalización (equipos, instalación, alimentación).

Estas precauciones se refieren a:

■ la identificación de los contaminadores,

■ la estimación de soluciones de filtrado,

■ el dimensionamiento adecuado de las instalaciones,

■ la optimización de las arquitecturas de explotación.

Fenómenos y orígenes

Los distintos fenómenos eléctricos asociados a la presencia de armónicos se manifiestan a través de mecanismos interdependientes:

■ generación de fuentes armónicas de corriente y/o tensión por los contaminadores

■ efectos de la contaminación en el entorno inmediato de las fuentes contaminantes,

■ propagación de armónicos por toda la red y efectos extendidos a todos los receptores

■ composición de las distintas contaminaciones en cualquier punto de la red y en cada instante,

■ posible amplificación de la contaminación por efecto de resonancia en presencia de capacidades (línea larga, condensadores de compensación de energía reactiva)

La presencia de armónicos tiene varias causas:

■ funcionamiento normal de la red, como consecuencia de requisitos de funcionamiento y proceso: funcionamiento de cargas contaminantes a diferentes velocidades, conexión o desconexión de otros consumidores,

■ la estructura de la red eléctrica: niveles de tensión, separación de los contaminadores y cargas vulnerables, potencia relativa de las fuentes de los contaminadores y de  los condensadores.

Efectos y soluciones

Desde el punto de vista eléctrico, esta contaminación se manifiesta bajo las siguientes formas de perturbación.

■ Fuentes directas de contaminación

Los contaminadores en corriente representan la gran mayoría de los generadores de armónicos. Estos son las llamadas cargas no lineales: la corriente que absorben no tiene la misma forma que la tensión de alimentación y su espectro armónico es propio de cada carga.

Se distingue entre cargas pasivas (soldadoras, hornos de arco, lámparas) y las cargas electrónicas de potencia que se utilizan cada vez más (variadores de velocidad, rectificadores y reguladores de intensidad, sistemas de alimentación ininterrumpida -SAI-, fuentes de alimentación conmutadas).

Las gamas de tensión y potencia de estas cargas son muy amplias: van desde pequeños electrodomésticos (BT, algunas decenas de W) a los grandes consumidores industriales (AT, varias decenas de MW).

La contaminación por tensión se debe al diseño de los bobinados y circuitos magnéticos de los equipos (máquinas rotativas, transformadores).

Limitar la generación de armónicos en las fuentes contaminantes es posible hasta cierto punto: montajes dodecafásicos, convertidores sinusoidales, inductancias de alisado, filtrado integrado.

■ Efectos directos de la contaminación sobre las cargas eléctricas

ü  Las corrientes armónicas generan potencia parásita que se traduce en un calentamiento adicional y una pérdida de energía.

Este inconveniente puede evitarse sobredimensionando los equipos de acuerdo con los factores de desclasificación definidos por las normas relativas a dichos equipos.

ü  La distorsión de tensión por los armónicos perturba el funcionamiento de los equipos electrónicos (por ejemplo, decalaje del paso por cero de la onda de referencia).

ü  Los armónicos también tienen repercusiones mecánicas (ruido, vibraciones) y electromagnéticas (acción de corrientes fuertes sobre las corrientes débiles) en el ámbito de la compatibilidad electromagnética – CEM

■ Los efectos de transmisión provocan la propagación de armónicos, su amplificación y su acumulación.

ü  Los contaminadores de corriente inyectan sus armónicos en toda la red en función de las impedancias por las que circulan. El resultado es una distorsión armónica de las tensiones en cualquier punto de la red. Como resultado, todos los receptores son alimentados con tensiones distorsionadas.

ü  Además, la presencia de condensadores puede amplificar la contaminación por efecto de resonancia (circuito tapón formado por la capacidad en paralelo con las inductancias de la red).

ü  En su entorno inmediato, cada equipo contaminador sufre los efectos nocivos de sus propios armónicos.

Por último, en cualquier punto de la red, la composición de los distintos armónicos se produce en cada instante: en la práctica, el sumatorio se calcula mediante un método normalizado (CEI 60871).

■ Los criterios de riesgo se cuantifican mediante normas y reglamentos basados en el valor de las distorsiones. En general, se acepta que la situación se vuelve preocupante a partir de una THD en tensión del 5% y siempre es fuente de dificultades por encima del 10%. Los distribuidores se comprometen a proporcionar una THD de tensión limitada y los usuarios también deben limitar su nivel de corrientes armónicas.

En la práctica, las situaciones de riesgo se evalúan según criterios de potencia aplicados a los contaminadores y a los condensadores.

■ Existen varios métodos para limitar los riesgos:

ü  aumentar la potencia de cortocircuito de las fuentes,

ü  separar las cargas sensibles de las redes contaminantes,

ü  instalar inductancias antiarmónicos (los condensadores están protegidos de las sobrecargas),

ü  instalar filtros pasivos (los armónicos no deseados quedan atrapados en circuitos de baja impedancia).

ü  instalar filtros activos (los armónicos no deseados se neutralizan inyectando armónicos en oposición de fase).

Ventajas de un estudio

El objetivo es garantizar el buen funcionamiento de la instalación durante la actividad de los contaminadores por:

■ el cálculo de las distorsiones, teniendo en cuenta los espectros (amplitudes y fases, composición y leyes de propagación),

■ el cálculo óptimo de filtrado,

■ el cálculo del sobredimensionamiento de los equipos (estacionarios y transitorios),

■ el análisis de los esquemas de explotación de la red en sus distintos modos de funcionamiento (conexión normal y con contaminación de fuentes, contaminadores, cargas),

■ el análisis de sensibilidad a los parámetros influyentes (por ejemplo, rango de variación valores de los componentes eléctricos de la red función de la precisión, de la temperatura, etc.).

Ejemplo

Este caso práctico procede de un estudio de diseño para una planta siderúrgica, que dispone de un horno de arco de CC y condensadores de compensación de reactiva (véase la Fig. 1). Este horno genera armónicos de rango completo (rectificador) superpuestos a un espectro continuo (arco inestable).

■ Objetivo del estudio:

El condensador forma un bucle con la inductancia del sistema (antiresonancia de rango 3), lo que da lugar a una THD de tensión prohibida del 18,5%, por lo que es necesario determinar el filtrado para reducir la THD a un valor aceptable.

■ Resultados del estudio

La disposición de los condensadores en tres filtros resonantes de atenuación (sintonizados en los rangos 3, 5, 7) modifican el espectro de impedancia y reduce la THD de tensión a un valor aceptable del 3%.

 

Figura 1: Estudio de la presencia de armónicos en una planta siderúrgica, esquema y espectros

Reactancias limitadoras de corriente

 

Las reactancias limitadoras de corriente son reactancias en serie destinadas a reducir las corrientes de cortocircuito en el sistema eléctrico. El motivo para reducir las corrientes de cortocircuito es utilizar disyuntores con menor capacidad de corte de corriente de cortocircuito y, en consecuencia, disyuntores más baratos.

A veces, otros componentes del sistema también necesitan protección contra corrientes de cortocircuito demasiado altas, como por ejemplo los transformadores autoconectados que no se autoprotegen debido a su baja impedancia.

Otra aplicación es la limitación de la corriente de irrupción al arrancar grandes motores.

Las reactancias limitadoras de corriente se utilizan a veces para limitar las corrientes de descarga de las baterías de condensadores.

Reactancias limitadoras de corriente de tipo seco

Para tensiones y potencias moderadas, el tipo más barato de reactancias limitadoras de corriente suele ser la simple reactancia sin núcleo de hierro ni envolvente, refrigerado por circulación natural de aire. Numerosas reactancias de este tipo están en funcionamiento en todo el mundo, la mayoría de ellas probablemente en sistemas de potencia de media y alta tensión.

La magnitud de la inductancia de estas reactancias suele ser del orden de milihenrios. La inductancia permanece constante cuando la corriente de cortocircuito fluye a través de la reactancia. La inductancia no disminuye por saturación al no disponer de núcleo de hierro.

El material conductor del bobinado puede ser cobre o aluminio. El aislamiento y los materiales de soporte del bobinado son sintéticos, con frecuencia de clase de alta temperatura. Cuando la corriente de cortocircuito debida a un fallo en el sistema eléctrico fluye a través de la reactancia, surgen elevadas fuerzas mecánicas en la reactancia, dentro de cada devanado de fase, así como entre las fases. Las reactancias deben diseñarse para soportar estas fuerzas, lo que a menudo determina el dimensionado de la reactancia.

La ausencia de un núcleo de hierro hace que la capacitancia del devanado a tierra sea bastante pequeña, lo que ofrece la ventaja de que la distribución de tensión dentro del devanado se desvía sólo moderadamente de la linealidad en condiciones de tensión transitoria.

La figura 1 muestra un esquema de una fase de una reactancia de este tipo. Los dos rectángulos ilustran los contornos exteriores del devanado. a es la altura total y r es la anchura radial del devanado. D es el diámetro medio del devanado. La inductancia es proporcional al cuadrado del número de espiras, D es un factor que depende de los cocientes a/D y r/D.

Figura 1

La inductancia mutua entre las fases se suma, dependiendo de la distancia entre las fases y de si las fases están colocadas una encima de la otra o una al lado de la otra, véase la figura 2.

Figura 2

Las reactancias con núcleo de aire pueden requerir un espacio relativamente grande debido a que el campo magnético se propaga libremente en los alrededores y puede provocar un calentamiento excesivo en los refuerzos de hierro de paredes, suelos y techos de hormigón, cercados y otros elementos metálicos.

Por tanto, debe mantenerse una distancia adecuada de las reactancias. La distancia debe ser suficientemente grande para mantener el campo magnético por debajo de 80 A/m en el suelo y en el techo. En las paredes adyacentes, el campo magnético no debe superar los 30 A/m.

Estos valores de campo se refieren a la corriente nominal continua a través de la reactancia o a corrientes temporales que duran más de unos minutos.

La constante de tiempo térmica del hierro de forjado y de las cercas es pequeña. El proveedor debe informar al comprador sobre las distancias necesarias con relación a las reactancias, a las cuales el campo magnético ha disminuido a los valores mencionados anteriormente.

La figura 3 ilustra el campo magnético atribuido a una reactancia con núcleo de aire sin envolvente. Las considerables fuerzas debidas al campo pueden arrastrar hacia la reactancia los elementos de hierro sueltos que se encuentren en las proximidades y causar daños. Por ello, se recomienda mantener limpios los alrededores.

Figura 3

Debe tenerse en cuenta la posible influencia perturbadora del campo magnético sobre el funcionamiento de otros productos electrotécnicos situados en las proximidades.

Las personas no deben permanecer regularmente durante mucho tiempo cerca del fuerte campo magnético de tales reactancias cuando la corriente fluye por sus bobinados.

NOTA: Las personas portadoras de marcapasos deben mantenerse alejadas de este tipo de reactancias.

Reactancias limitadoras de corriente sumergidas en aceite

Las reactancias de tipo seco para tensiones más altas pueden no ser adecuadas en zonas muy contaminadas debido al riesgo de fallo dieléctrico. En tales casos, las reactancias sumergidas en aceite pueden ser más fiables.

Para evitar un calentamiento excesivo en el depósito, el devanado de la reactancia sumergida en aceite debe ir rodeado de un marco de acero laminado. Véase la figura 4. Puede que no sea necesario que el núcleo disponga de huecos en el centro del bobinado como en las reactancias shunt. El dimensionado de la reactancia debe ser tal que la inductancia sea suficientemente grande cuando la corriente de cortocircuito circule por la reactancia y cuando pueda producirse saturación en el núcleo.

Figura 4

Las pérdidas por corrientes de Foucault en los devanados de las reactancias sin huecos en la extremidad central del núcleo son bastante elevadas debido al fuerte campo magnético en el que están situados los conductores del devanado. Un núcleo con huecos reduciría estas pérdidas por corrientes de Foucault, pero por otro lado el núcleo sería más complicado y costoso.

El campo magnético también puede apantallarse mediante placas de materiales altamente conductores como el cobre o el aluminio. Sin embargo, las pérdidas serán elevadas en los apantallamientos debido a las altas corrientes de circulación, por lo que este método de apantallamiento sólo es aplicable para potencias de las reactancias más pequeñas.

El coste de una reactancia sumergida en aceite será considerablemente mayor que el de una de tipo seco, mientras que la reactancia sumergida en aceite puede ocupar menos espacio.

Al solicitar una reactancia limitadora de corriente, debe facilitarse la siguiente información:

ü  Tensión del sistema;

ü  Frecuencia;

ü  Potencia de cortocircuito del sistema de alimentación;

ü  Nivel de aislamiento;

ü  Corriente continua nominal y/o corriente de corta duración nominal y duración;

ü  Impedancia nominal de la reactancia o, alternativamente, la potencia de cortocircuito reducida después de incluir la aportación de la impedancia de la reactancia;

ü  Tipo seco o sumergido en aceite;

ü  Instalación interior o exterior.

Reactancias Shunt

 

KAPP, Gisbert

 

KAPP, Gisbert

• 2 de septiembre de 1852, Mauer, Viena (Austria).

† 10 de agosto de 1922, Birmingham (Inglaterra). 

Ingeniero austro-británico que hizo grandes aportaciones prácticas para mejorar el comportamiento de las máquinas eléctricas. Inventó el devanado compuesto (compound) de las máquinas de corriente continua, el inductor multipolar de las máquinas eléctricas y una dinamo para soldadura. Escribió excelentes tratados de Ingeniería Eléctrica. Catedrático de Electrotecnia en la Universidad de Birminghan.

Su padre era natural de Triestre y gobernador civil de esa ciudad. Su madre era escocesa. Obtuvo, en 1872, el título de Ingeniero Mecánico en el Politécnico de Zurich, donde fue alumno de Zenner y Kohlrausch. En 1873, después de trabajar como Ingeniero en Alemania, fue designado como asesor de ingeniería de la Exposición Internacional de Viena de 1873.

En 1875 se trasladó a Inglaterra y pasó la mayor parte de su vida en este país. Sus trabajos en electricidad comenzaron en 1882, cuando ingresó como Ingeniero en la empresa del coronel Crompton, en los talleres de Chelmsford, una de las industrias pioneras en la construcción de maquinaria eléctrica en Inglaterra. Más tarde, en 1885, se estableció por su cuenta como Ingeniero consultor diseñando máquinas eléctricas para la Westminster Electric Supply Co., W.H. Allen and Co., y la compañía Johnson & Philips. Se le deben grandes inventos en el campo de la Ingeniería Eléctrica: fue el primero que ideó el devanado compound o compuesto en las máquinas de corriente continua (y lo patentó junto con Crompton); introdujo el inductor multipolar en las dinamos; patentó una dinamo autorregulada para iluminación por arco eléctrico.

Realizó numerosos proyectos de centrales eléctricas, diseñando él mismo los alternadores y transformadores. Fue un defensor acérrimo de la corriente alterna. Escribió muchos artículos sobre ingeniería eléctrica que se publicaron en las revistas Electrician y Engineer. Cabe mencionar entre sus principales monografías Modern Dynamos and their Engines, leída en la Institución de Ingenieros Civiles en 1885; es un artículo de interés histórico y muestra claramente

el progreso realizado en la construcción y diseño de dinamos y la gran necesidad que había para mejorar los diseños de la mayoría de las máquinas que existían en el mercado; en el trabajo se señalaba el interés que se tenía por conseguir un buen diseño del circuito magnético. En 1886 leyó un artículo en la Institución de Ingenieros Eléctricos de Londres que llevaba por título The Predetermination of the Characteristics of Dynamo (la predeterminación de las características de la dinamo), que era otro paso en el mismo sentido del artículo anterior. En 1889 leyó el artículo Alternate-Current Machinery en el Instituto de Ingenieros Civiles, que es también histórico y que fue premiado con la medalla Telford. En 1889 introdujo la dinamo multipolar, y la primera de estas máquinas se instaló en los talleres eléctricos de St. Pancras. En el mismo año se montaron varios alternadores diseñados por él en la Central de Amberley para la Compañía Metropolitan Electric Supply.

Entre 1894 y 1905 actuó como Secretario de la Verband Deutscher Elektrotechniker en Berlín (el objetivo de esta Sociedad fue la creación de normas de estandarización, conocidas hoy día por sus iniciales VDE, y que han sido adaptadas a todos los países). También en estos años fue editor de la revista electrotécnica alemana denominada Elektrotechnische Zeitschrift. Mientras estuvo en Alemania preparó a estudiantes postgraduados en la Escuela de Ingenieros de Charlotenburgo, Berlín. Fue nombrado Doctor Honoris Causa por las Universidades de Dresde y Karlsruhe. 

En 1905 volvió a Inglaterra porque le contrataron para dirigir la recién creada cátedra de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Birminghan, a propuesta de Sylvanus Thompson y Sir Oliver Lodge, puesto en el que permaneció hasta su jubilación en 1919. Fue Presidente del IEE inglés en el bienio 1909-10. Escribió numerosos libros de ingeniería eléctrica de gran calidad científica y pedagógica, entre los que cabe mencionar: Electric Transmission of Energy, Alternating Currents, Dynamos, Alternators and Transformers, Transformers for Single and Multiphase Currents, Electromechanical Designs, Principles of Electrical Engineering and their Applications y un libro de divulgación titulado Electricity para la Home University Library. Muchos de estos textos se tradujeron al francés, alemán, italiano y ruso. Su nombre está ligado a una fórmula para determinar la caída de tensión en los transformadores de un modo aproximado.

La estabilidad de las redes eléctricas

La estabilidad afecta principalmente a redes de alta potencia y alta tensión con una estructura topológica generalmente extensa y compleja que puede tener uno o varios centros de producción de energía.

El correcto funcionamiento de una red eléctrica es el resultado de un ajuste permanente del equilibrio entre producción y consumo de energía a lo largo del tiempo y del espacio, demostrando así su estabilidad.

La noción de estabilidad de la red se define por:

● La estabilidad estática, o pequeñas alteraciones: el sistema vuelve a su estado inicial tras una perturbación normal de pequeña amplitud,

● La inestabilidad transitoria: el sistema pasa de un estado estable a otro tras una perturbación repentina (pérdida de carga o de la alimentación, arranque de un motor de gran potencia),

● La estabilidad dinámica: el funcionamiento del sistema está bajo control cuando las consecuencias perjudiciales de cualquier perturbación son limitadas (por ejemplo, salvaguardando a los consumidores vitales) mediante la aplicación de medidas adecuadas (por ejemplo, mediante un plan de deslastre de cargas).

Objetivos

El objetivo de estudiar el comportamiento dinámico de una red es identificar situaciones de riesgo, origen de posibles fuentes de inestabilidad transitoria, y determinar las medidas que deben adoptarse para contrarrestarlas lo más eficazmente posible, garantizando así su estabilidad dinámica. Estas medidas se refieren a:

● la eliminación en un tiempo aceptable de incidentes eléctricos mediante sistemas de protección,

● la optimización de los modos de explotación,

● el dimensionamiento adecuado de las instalaciones.

Fenómenos y orígenes

La inestabilidad se manifiesta en toda la red por:

● oscilaciones electromecánicas de las máquinas en torno a su posición de equilibrio síncrono, que dan lugar a variaciones de su velocidad y de su frecuencia industrial nominal (50 ó 60 Hz),

● oscilaciones en los flujos de corriente en las conexiones entre la alimentación y/o las cargas, que implican intercambios de potencia activa y reactiva, y dan lugar a caídas de tensión.

Las inestabilidades tienen tres orígenes posibles.

● Las perturbaciones accidentales

En esta categoría se incluyen los cortocircuitos, las caídas de tensión, los cortes y pérdidas de energía, los disparos intempestivos, los fallos de componentes, los errores humanos, etc.

● La explotación normal de la red

Son las consecuencias del funcionamiento y requisitos del proceso, como variaciones de carga, arranque de grandes motores, maniobras de transferencia y la gestión de los juegos de barras, colectoras…

● La estructura de la red eléctrica

Incluye la topología, la regulación de las fuentes (alternadores y transformadores), así como la protección y control automático de la red eléctrica.

Efectos y soluciones

Desde el punto de vista eléctrico, estas inestabilidades adoptan principalmente las siguientes formas de mal funcionamiento.

● Deriva de frecuencia

Un desequilibrio de la potencia activa entre generación y consumo da lugar a una variación de la frecuencia de todo el del sistema. Esto puede superar los límites permitidos (por ejemplo, +/- 2%), más allá de los cuales las unidades de generación se separan de la red.

La situación puede entonces degenerar hasta el punto de colapsar el sistema.

Esto puede evitarse mediante el deslastre automático y progresivo de las cargas, y el uso de potencia de reserva (arranque de grupos generadores, regulación de generadores a máxima potencia).

● Caídas de tensión

Las caídas de tensión se deben a transitorios de potencia -principalmente reactiva- en conexiones y transformadores, o a puntas de corrientes muy elevadas.

Este es un fenómeno acumulativo (la caída del nivel de tensión conduce a un aumento de la corriente y viceversa) y puede provocar el colapso o el mal funcionamiento del sistema.

Este riesgo está limitado por la disponibilidad de potencia reactiva suficiente y bien distribuida

(regulación reactiva de las fuentes, condensadores de compensación. reguladores en carga de transformadores, ubicación de las fuentes de potencia reactiva), deslastre de las cargas, cambio del modo de arranque de los motores.

● Sobrecarga en cascada

La eliminación de elementos tras su calentamiento o deterioro hacen que las cargas se transfieran a otras estructuras. En este caso también puede producirse un fenómeno acumulativo.

Por ello, normalmente se estipula que cualquier pérdida de una carga sea tolerada por el sistema (regla de funcionamiento conocida como N-1) actuando sobre la topología del funcionamiento de la red, la protección contra sobrecargas o la puesta en servicio de nuevas fuentes. De alimentación

● Pérdida de sincronismo

Los cortocircuitos provocan desincronización entre generadores (desacoplamiento eléctrico), lo que puede provocar la necesidad de desconectar determinadas máquinas. La consiguiente aparición de oscilaciones de corriente y tensión en la red, y la eliminación de elementos (cargas o fuentes) por sus protecciones, puede provocar la pérdida de la red.

Esta situación puede evitarse mediante un buen control de las regulaciones de los alternadores, un planteamiento eficaz de protección y un juicioso plan de deslastre de cargas.

Las aportaciones de un estudio

Un estudio aborda sistemáticamente los principales fenómenos de riesgo, adaptándose a las particularidades de cada escenario a considerar teniendo en cuenta las reacciones del proceso :

● cortocircuito trifásico (eventualmente bifásico o monofásico),

● pérdida de conexión, de la fuente o la carga,

● arranque de motores,

● reparto de cargas, deslastre o maniobra de cargas,

● acoplamiento y regulación electromecánica de las fuentes (redes públicas, turbinas y alternadores).

Para ser completo, el estudio debe incluir

● análisis de contingencias: teniendo en cuenta los incidentes normales de funcionamiento del sistema (por ejemplo, regla N-1 en la explotación, cortocircuitos en los distintos niveles de tensión,…), o incluso incidentes excepcionales,

● simulación del funcionamiento de las protecciones y automatismos (acciones y cronología),

● análisis de sensibilidad a los parámetros determinantes (por ejemplo, características de los motores, coeficientes de ajuste de los reguladores de alternadores…).

Ejemplo

Este caso práctico procede de un estudio de diseño para una instalación de industria pesada.

La instalación comprende varias fuentes que alimentan las cargas -motores y cargas pasivas a través de dos barras prioritarias/no prioritarias (véase la fig. 1).

Figura 1: Estudio de estabilidad en una industria pesada, esquema y curvas significativas durante un disparo de las protecciones

Se ha detectado un cortocircuito en el secundario de un transformador conectado al suministro público de distribución:

ü  una caída de tensión resultante que provocaba, entre otras cosas, la ralentización de los motores,

ü  cuando se despejó la avería, las corrientes absorbidas por los motores alcanzaron los valores punta en el arranque. Indujeron caídas de tensión muy importantes y pares de aceleración insuficientes para algunos motores que se han calado o ralentizado.

De hecho, estos motores sólo pueden volver a acelerar si la duración del fallo es lo suficientemente corta.

● Objetivo del estudio

Normalmente, los cortocircuitos son normalmente eliminados por las protecciones del transformador que establecen el disparo de sus disyuntores aguas arriba y aguas abajo. La cuestión es determinar el tiempo máximo de eliminación del defecto para garantizar la estabilidad de la red.

● Resultados del estudio

El examen de las curvas de tensión y velocidad muestra que la red es estable en caso de cortocircuito trifásico en el secundario del transformador, ajustando las protecciones por debajo de 300 ms.

 

Historia de los sistemas de tracción eléctrica

 

Transformadores de tracción

 

Transformadores de tracción

En los primeros tiempos de los ferrocarriles eléctricos, la CC era la fuente de alimentación más común. Como en la época no era factible reducir la tensión de la CC a bordo del tren, el transporte entre la subestación y el tren tenía que hacerse a baja tensión (entre 750 V y 3.000 V) para poder alimentar directamente los motores de tracción. El inconveniente de la baja tensión eran las elevadas pérdidas por conducción en el tendido aéreo.

Posteriormente se introdujo la electrificación con CA monofásica con tensiones mayores (15 kV/ 16,7 Hz y 25 kV/ 50 Hz), lo que redujo las pérdidas de transporte.

La contrapartida fue la presencia de transformadores grandes y pesados que tenía que llevar el tren.

Por razones históricas, los ferrocarriles actuales utilizan multitud de distintos sistemas de electrificación, a menudo basados en lo que era la última palabra de la técnica cuando se introdujo por primera vez la electrificación en un país o área determinada ➔ 1.

En los trenes clásicos tirados por locomotoras, un transformador pesado no es necesariamente un inconveniente, ya que contribuye a la adherencia: la fuerza máxima que la locomotora puede aplicar para tirar de un tren sin perder la adherencia a los carriles está limitado por su propio peso. Pero en los trenes de pasajeros modernos se observa una tendencia hacia los trenes de varias unidades en los que el material de tracción no se concentra en la locomotora, sino que se distribuye a lo largo del tren en los mismos vehículos en los que viajan los pasajeros. Con el aumento del número de ejes motores, la adherencia ha dejado de ser un factor que limite la aceleración del tren, pero el peso y el tamaño del transformador siguen siendo una limitación importante para los proyectistas.

Por tanto, un tren ideal combinaría el poco peso y el poco espacio ocupado por los trenes de CC con las pequeñas pérdidas de transporte de la electrificación de CA a alta tensión. Esencialmente, la dificultad reside en hacer que el transformador sea más ligero.

Por desgracia, el tamaño y el peso básicos de un transformador están limitados por las leyes de la física. Los factores que determinan el tamaño mínimo de un transformador incluyen la frecuencia y la potencia nominal: las frecuencias bajas requieren transformadores más grandes. Un transformador con una frecuencia mayor permitiría ahorrar peso y espacio. Esta es la razón que se encuentra detrás del transformador de tracción de electrónica de potencia (PETT) de ABB.

Principio del PETT

El camino que recorre la conversión de la energía eléctrica en la mayoría de los trenes modernos de CA se ilustra en ➔ 2.

La corriente de la catenaria de CA (línea aérea) fluye por los devanados del primario de un transformador de baja frecuencia (LFT) hasta el carril (que proporciona el camino de retorno). La tensión reducida disponible en los devanados del secundario del transformador se conduce a un chopper de línea de cuatro cuadrantes que la convierte a la tensión del enlace de CC. Un inversor la transforma en CA de frecuencia variable y tensión variable para los motores de tracción. También los suministros auxiliares pueden alimentarse desde el enlace de CC.

Para utilizar un transformador de frecuencia media (MFT), debe disponerse un convertidor de frecuencia antes del transformador, como se muestra en ➔ 3.

En el secundario del transformador, un rectificador la convierte en la tensión para el enlace de CC.

Una dificultad importante de esta topología es que hay que poner un convertidor en el lado de la alta tensión. Dado que la actual generación de dispositivos semiconductores no puede bloquear las tensiones utilizadas en la electrificación de ferrocarriles de CA, se requiere una conexión en serie. En lugar de una conexión masiva en serie de semiconductores en válvulas únicas, la solución desarrollada por ABB presenta una serie de módulos de convertidor en cascada en el lado de alta tensión, con las salidas conectadas en paralelo en el lado de CC ➔ 4.

Esta topología hace que la solución sea fácilmente ampliable y permite la posibilidad de redundancia (el sistema de “M de cada N”).

La CA de la catenaria pasa a través de un inductor de filtro antes de entrar en el primer módulo del convertidor. Cada módulo del convertidor consta de un bloque de “front end” activo (AFE) y un bloque convertidor CC/CC ➔ 5.

El bloque AFE es esencialmente un puente en H que regula la carga de los condensadores del enlace. Esta topología también permite el control activo del factor de potencia.

Convertidores en cascada

Una ventaja añadida de la topología en cascada reside en la posibilidad de conmutar cada módulo de forma independiente. Esto permite entrelazar los patrones de conmutación de los puentes H.

Si se entrelazan de forma regular (es decir, separados 360 grados/N, donde N es el número de niveles), el lado de la red del convertidor ve una frecuencia aparente de conmutación (equivalente) que es 2 N veces mayor que las frecuencias reales de conmutación de cada puente H. Esta alta frecuencia de conmutación aparente (en combinación con el mayor número de niveles de tensión intermedia) provoca una distorsión armónica menor de la que es posible con los convertidores de tracción convencionales y, en consecuencia, reduce la necesidad de filtrado de la entrada. Un ejemplo de las formas de onda se muestra en ➔ 6.

Transformadores de frecuencia media

Los transformadores de frecuencia media desempeñan tres funciones fundamentales. Para empezar, proporcionan aislamiento galvánico entre la entrada de alta tensión de la red de CA y la baja tensión conectada a la carga. Su segunda función clave es proporcionar una adaptación adecuada de la tensión para la tensión de carga de CC de 1,5 kV teniendo en cuenta el nivel de tensión del enlace de CC intermedia de 3,6 kV. La tercera de esas funciones es ayudar a que los módulos IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) de los circuitos resonantes LLC trabajen en el modo “soft” de conmutación (descrito más adelante). A medida que disminuye el tamaño, aumenta la dificultad desde el punto de vista del dieléctrico. Hay que tener cuidado al considerar este aspecto.

En el actual demostrador PETT, los nueve transformadores comparten el mismo depósito de aceite, así como el inductor de línea y el cargador de arranque ➔ 7.

Modo LLC de conmutación

Cada uno de los nueve transformadores de frecuencia media es una parte del convertidor CC/CC asociado ➔ 4.

Mediante el uso de las inductancias de fuga y de magnetización del transformador y los condensadores del circuito externo, se crea un circuito LLC resonante (Lr, Lm y Cr como se indica en ➔ 5). Las ventajas de un circuito LLC son:

·         Amplio margen de regulación de la salida.

·         Reducción de las pérdidas por conmutación en el lado del primario mediante conmutación a tensión cero (ZVS) en todo el margen de cargas.

·         Baja corriente de desconexión controlada por diseño (no es realmente conmutación a corriente cero, ZCS).

·         Esfuerzo mecánico por baja tensión y ZCS en el secundario del rectificador de diodos.

·         Funcionamiento independiente de la carga a frecuencia de resonancia.

Como un circuito de LLC se basa en el principio de resonancia, se puede utilizar la variación de la frecuencia de conmutación para controlar la tensión de salida. Sin embargo, en la presente versión del PETT, no se ha utilizado esta función y el convertidor CC/CC LLC resonante funciona en bucle abierto con una frecuencia fija de conmutación de 1,75 kHz, que está por debajo de la frecuencia de resonancia.

El sistema de control

Los objetivos del control pueden resumirse como:

·         Mantenimiento de una corriente de entrada sinusoidal.

·         Factor de potencia próximo a la unidad.

·         Valor constante de la tensión media del enlace de CC.

·         Rechazo de los armónicos de la red.

El equipo es un controlador AC 800PEC de ABB, una plataforma que permite la integración de funciones de control rápido y lento.

El área real de aplicación del PETT se encuentra en los trenes de varias unidades para el servicio de pasajeros, tales como los trenes de cercanías o de alta velocidad.

El tamaño compacto del PETT permite instalarlo fácilmente bajo el piso del tren o en el techo, lo que maximiza el espacio disponible para los pasajeros al tiempo que reduce el consumo eléctrico del tren.

El PETT ➔ 8 tiene nueve módulos en cascada, de los cuales sólo ocho son esenciales para las operaciones (el noveno es redundante). La unidad tiene una potencia nominal de 1,2 MW y puede suministrar un pico de 1,8 MW durante periodos breves.

La tensión de salida de CC es de 1,5 kV.

El peso total es de 4.500 kg, incluida la refrigeración. Cuando se compara con los transformadores de tracción de la misma potencia nominal, debe tenerse en cuenta que el PETT no sólo sustituye al transformador propiamente dicho, sino también al rectificador de baja tensión (compárense ➔ 2 y ➔ 3).

La optimización del peso constituye otro aspecto importante. La densidad de potencia (expresada en kVA/kg) de las combinaciones actuales de transformador y rectificador es del orden de 0,5 a 0,75.

Otras ventajas incluyen:

·         Mejor eficiencia energética desde la entrada de CA a la salida de CC, que pasa desde un 88 a un 90 por ciento a más del 95 por ciento (la eficiencia media actual de un transformador autónomo de tracción de 15 kV / 16,7 Hz es del 90 al 92 por ciento).

·         EMC y armónicos bajos.

·         Menores emisiones acústicas.

Todos estos factores hacen que el PETT sea ideal para su objetivo declarado de proporcionar una solución de convertidor pequeño y ligero pero potente, para instalarse en los trenes actuales y futuros y que sea adecuado para funcionar muy cerca de los viajeros.

 

 

FUENTE:

Revista ABB 1/12: Transformadores de tracción

 

Análisis de fallos en los diferentes tipos de disyuntores de AT

 

Alimentación de circuitos de alumbrado

 

Protección de las personas contra la electrocución

 

AYRTON, Hertha

 

AYRTON, Hertha

• 28 de abril de 1854, Portsea (Inglaterra).

† 26 de agosto de 1923, Sussex (Inglaterra).

 

Física británica, esposa del científico W. E. Ayrton. Fue la primera mujer miembro del IEE en 1899. Especialista en el estudio del arco eléctrico.

Su nombre de soltera era Phoebe Sarah Marks. Su padre, un relojero emigrante judío-polaco, murió cuando ella tenía siete años, por lo que la educación de Herha fue financiada en Londres, con la ayuda de su tía Mrs. Hartog. A los 16 años se trasladó al Girton College de la Universidad de Cambridge, donde se licenció en Ciencias Matemáticas con un brillante expediente académico. En 1884 ingresó en el Finsbury Technical College (hoy el Imperial College) como estudiante especial y al año siguiente se casó con el catedrático de Física Aplicada de este centro, W. E. Ayrton.

Interesada por la electricidad aplicada por influencia de su esposo, ayudó a éste en sus estudios sobre el arco eléctrico. Como resultado de sus propias investigaciones sobre el tema escribió en

la revista The Electrician diversos artículos durante los años 1895 y 1896. En 1899 leyó un artículo memorable en la Institución de Ingenieros Eléctricos (IEE) titulado: «Hissing of the Electric Arc» (El silbido del arco eléctrico), por la que recibió un premio. Al año siguiente, debido a sus méritos, ingresó como miembro del IEE, siendo la primera mujer admitida en esta Institución.

En 1900, con motivo del Congreso Internacional de Electricidad de París, leyó un artículo sobre la luz de arco («The Light of the Arc») que fue muy destacado por el jurado del Congreso. Má tarde, en 1901, dio una conferencia en la Royal Society sobre el mecanismo del arco eléctrico y que se publicó posteriormente en los Philosophical Transactions de esta Sociedad.

En 1906 recibió la medalla Hughes por sus grandes aportaciones al estudio del arco eléctrico. Más tarde estudió los diferentes tipos de carbones que podían usarse para la iluminación por arco eléctrico, en particular para su uso en los faros y como focos en los primeros estudios de cine, y también en las máquinas de proyección de películas (este tipo de lámpara de arco, debido a su gran intensidad luminosa, se ha utilizado en los proyectores de cine hasta prácticamente el año 1985, en que se sustituyeron por lámparas de descarga del tipo xenón); para ello estudió con rigor la iluminación que suministraban en función de la potencia, la duración de los electrodos de grafito o carbones, las formas y tamaños más adecuados, para ampliar su vida, y otros, lo que dio lugar a recibir seis patentes sobre electrodos de carbón y porta-electrodos entre 1913 y 1914. Otros estudios que realizó Ms. Ayrton se refieren al movimiento oscilatorio del agua y el origen y crecimiento de las dunas en las playas.

Al iniciarse la Primera Guerra Mundial inventó el ventilador Ayrton, utilizado por las tropas inglesas en Francia para limpiar las trincheras de los gases venenosos que usaba el ejército alemán. Una variedad de estos ventiladores se utilizó después de la guerra para la ventilación y aireación de minas, tuberías subterráneas y alcantarillas.

Hertha tenía una gran paciencia e intuición para realizar trabajos experimentales.