Sala de válvulas IGBT (ABB)
Generalidades
La transmisión de energía en forma de corriente
continua en alta tensión supone una alternativa técnica y económicamente
rentable, frente a la transmisión de corriente alterna. Se emplea para
transportar grandes potencias a lo largo de grandes distancias a través de
líneas aéreas o cables, para un acoplamiento de redes asincrónicas y para
suministro a áreas densamente pobladas con escasez de tendidos aéreos y
problemas por potencia de corto circuito.
La fig. 1 muestra el modo de funcionamiento de
una instalación destinada a la transmisión de corriente continua en alta
tensión. La tensión alterna de una red de alimentación, que puede estar
compuesta incluso de una sola central eléctrica, es primeramente transformada a
un valor apropiado para la transmisión. A continuación se rectifica en una
instalación convertidora de corriente de válvulas controladas. En el otro
extremo se hace necesaria la instalación de un segundo convertidor de
corriente. Este convertidor funciona como inversor y convierte la corriente continua
nuevamente en corriente alterna, la cual es transformada posteriormente a la
tensión de la red alimentada.
El flujo de potencia a través de la línea será
determinado por la diferencia de las tensiones continuas en los extremos de las
líneas y la resistencia óhmica de la línea según la fórmula:
Aquí, Pd
es la potencia referida al centro de la línea, Ud1 y Ud2
son las tensiones continuas al principio y al final de la línea. Debido a ello,
la transmisión de corriente continua en alta tensión está exenta de problemas
causados por la potencia reactiva o de estabilidad en la línea de transmisión.
Con la conexión en puente trifásico, generalmente usado en la transmisión de
corriente continua en alta tensión, la ecuación para la tensión en corriente
continua del convertidor es:
donde U2
es la tensión secundaria del transformador, Uk
su tensión de corto circuito y a el ángulo de mando, el cual es fijado por
medio del sistema de control electrónico de ángulo de fase. Dado que la tensión
continua puede ser alterada muy rápidamente con el sistema del control del
ángulo-fase de los rectificadores de corriente, la potencia transmitida puede
ser variada con gran celeridad y dentro de unos límites muy amplios.
Fig. 1 Esquema unifilar simplificado
de un sistema asíncrono
con enlace en HVDC
La figura 2 muestra el circuito básico de
una instalación convertidora de transmisión de corriente continua en alta
tensión. La disposición bipolar ofrece la ventaja de que, en caso de la
anulación de un polo, la transmisión puede continuar a mitad de potencia con el
retorno de la corriente a través de tierra. Para este caso han sido previstos
unos electrodos de tierra especialmente dimensionados.
La potencia reactiva necesaria para el servicio
de los convertidores, en una proporción de aproximadamente un 55 % de la
potencia activa, es compensada por lo general con unas baterías de
condensadores. Algunos de éstos llevan circuitos de filtros, con el fin de
mantener alejados de la red los armónicos superiores y limitar la distorsión de
la tensión de la red dentro de unos valores permisibles.
La corriente continua es alisada mediante una
bobina reactiva. Especialmente en el caso del transporte a través de líneas
aéreas, se procederá a un filtrado adicional de la tensión continua, con el fin
de evitar interferencias telefónicas.
Fig. 2: Circuito básico de una instalación convertidora
de corriente para transporte de corriente continua en alta tensión:
1, instalación de distribución de corriente alterna;
2, filtro de corriente alterna y compensación de
potencia reactiva;
3, transformadores de corriente;
4, grupos de convertidores;
5, instalación de distribución de corriente continua;
6, reactancias de alisamiento y filtro de tensión
continua;
7, conductor de corriente continua polo 1 y 2.
Fig. 3: Grupo convertidor de corriente de doce
pulsos, compuesto de dos conexiones de puentes trifásicos conectados en serie
en el lado de continua.
Los convertidores usados son los de puente
trifásico, como en la fig. 3. En la parte de continua los dos puentes están
conectados en serie. Los respectivos transformadores, uno de los cuales tiene
el grupo de conexión Yy0, y el otro Yd5, están unidos en la parte trifásica por
un interruptor automático común para formar el grupo de doce pulsos. En el caso
de que la estación deba ser dividida en más de dos secciones, las cuales puedan
ser operadas independientemente, debido a la potencia máxima permisible en caso
de un fallo, se conectan grupos de doce pulsos en serie o en paralelo (fig. 4).
Las estaciones de transmisión de corriente
continua en alta tensión son construidas para potencias desde algunos cientos
de MW hasta algunos miles, con tensiones de transmisión de hasta 800 kV contra
tierra.
Fig. 4: Polo de una estación para transmisión de
corriente continua en alta tensión con diversas unidades de potencia: a)
conexión en serie; b) conexión en paralelo: 1, grupo convertidor de corriente
de doce pulsos; 2, interruptor by-pass; 3, seccionador de grupo; 4, seccionador
de puenteado; 5, seccionador de línea.
Aparatos
para instalaciones de transmisión de corriente continua en alta tensión
Las válvulas convertidoras de corriente para la
transmisión de corriente continua en alta tensión están compuestas de
tiristores. Al darse una tensión elevada en las válvulas, pueden conectarse
hasta varios centenares de tiristores en serie; en el caso de una elevada
corriente en las válvulas, se conectan 2 ó 3 en paralelo. Con el fin de obtener
una distribución uniforme de la tensión, los tiristores van provistos de un
circuito adicional, el cual está formado principalmente de componentes RC. Los
tiristores son refrigerados a través de cuerpos refrigeradores con aire, aceite
o agua desionizada con una circulación forzada. Las válvulas son activadas por
medio de dispositivos electrónicos, los cuales son accionados a través de
conductores de fibra de vidrio con impulsos luminosos.
Los grupos de tiristores junto con sus auxiliares
son agrupados en módulos fácilmente intercambiables, los cuales a su vez son
montados dentro de un bastidor de válvulas. A menudo es conveniente combinar
varias válvulas de un grupo de doce pulsos en un bastidor único. La fig. 5 muestra
un conjunto en torre de válvulas, compuesto de las cuatro válvulas de un grupo
de doce pulsos, conectadas a la misma fase de la corriente alterna.
Los transformadores convertidores para la
transmisión de corriente continua en alta tensión son construidos con dos o
tres bobinas y en unidades con una sola fase o con tres fases. Dado que los
bobinados en el lado de las válvulas están conectados galvánicamente a un
elevado potencial de tensión continua al funcionar las válvulas rectificadoras
de corriente, el aislamiento principal de las mismas deberá ser dimensionado
adicionalmente para una elevada tensión continua en relación con la resistencia
dieléctrica. Debido a las corrientes de elevados armónicos y a los flujos de
dispersión producidos por éstas, será preciso dimensionar especialmente las
bobinas y las piezas de hierro.
Las reactancias de alisamiento para instalaciones
de transmisión de corriente continua en alta tensión sirven para mejorar el
alisamiento de la corriente continua y para la limitación de la corriente de
corto circuito en el caso de fallos en la línea. Su inductancia se sitúa en la
mayoría de los casos entre 0,5 y 1 H. Estas se construyen preferentemente como
reactancias de alisamiento exentas de núcleo, aisladas con aceite y equipadas
con una superficie de hierro de retorno.
Fig. 5 Válvula rectificadora de corriente,
cuádruple, para la transmisión de corriente continua en alta tensión para un
grupo de 12 pulsos de 250 kV, 1800 A: 1, módulo de tiristor; 2, descargador de
sobretensiones; 3, tuberías de refrigeración; 4, bastidor de fondo; 5. aisladores
de soporte; 6, tapa apantallada.
Los circuitos de filtros de corriente alterna
absorben las corrientes armónicas superiores generadas por el rectificador de
corriente, limitando con ello la distorsión de la tensión de la red. En las
instalaciones con grupos rectificadores de corriente de 6 pulsos se emplean
circuitos de resonancia de serie sintonizados para los armónicos superiores 5º,
7º, 11º y 13º, junto con un filtro adicional de paso elevado para los armónicos
más altos. En el caso de emplearse grupos rectificadores de corriente de 12
pulsos, el contenido de armónicos superiores de la corriente de red es reducido
considerablemente mediante la eliminación, especialmente, del 5º y 7º armónico
superior. Unos filtros de paso elevado de banda ancha serán en este caso suficientes
para limitar las distorsiones de la tensión de la red hasta un valor
permisible. Los circuitos de filtros suministran simultáneamente una parte de
la potencia de frecuencia fundamental reactiva requerida por los convertidores.
La tensión continua es filtrada mediante filtros
de tensión continua. Las características de los mismos son adaptadas a los
datos de la línea de transmisión; también aquí la técnica de 12 pulsos conduce
a unas simplificaciones considerables.
La instalación de distribución de corriente
alterna se construye, según las condiciones locales, la tensión de conexión y
el espacio disponible, como una instalación convencional a la intemperie
(compárese con lo indicado en el post: Formas
constructivas de Subestaciones eléctricas de intemperie de 110 a 420 kV en el
link:
En la instalación de distribución de corriente
continua se emplea ampliamente una aparamenta de distribución, que se ha
acreditado en la técnica de las instalaciones de distribución de corriente
alterna, habiendo sido modificada dicha aparamenta de acuerdo con las
exigencias especiales. La misión del interruptor by-pass en paralelo con el
grupo de 12 pulsos consiste en conectar o desconectar la corriente continua de
la instalación durante la puesta en servicio o parada del grupo (compárese con
la fig. 4). El seccionador de puente posibilita que la corriente continua de la
instalación sea conducida desviando un grupo desconectado.
Disposición
de instalaciones
Según las exigencias y condiciones ambientales,
las instalaciones para la transmisión de corriente continua en alta tensión se
construyen totalmente como instalaciones al aire libre, o bien algunas partes
de la misma se montan en ejecución interior. La fig. 6 muestra la disposición
de una instalación intemperie para una transmisión bipolar de 1920 MW de
potencia nominal. En cada polo de la estación se encuentran conexionados en
serie cuatro puentes trifásicos con una potencia de 240 MW cada uno a 133 kV de
tensión nominal. Las válvulas de tiristores se encuentran montadas por pares dentro
de un depósito común lleno de aceite, el cual a su vez está montado sobre una
plataforma aislada.
En el caso de unas condiciones climáticas
desfavorables, es conveniente realizar un montaje de las válvulas
rectificadoras de corriente en ejecución interior. Estas válvulas se
construyen, en este caso, con un aislamiento por aíre y provistas de una
refrigeración por aire o agua. Una disposición conveniente consiste en agrupar
en forma de torre las válvulas en número de cuatro para componer un grupo en el
cual estén reunidos de forma constructiva los cuatro brazos del puente de un
grupo de doce pulsos, los cuales se encuentran conectados a la misma fase de la
corriente alterna. Esto hace que el edificio que aloja las válvulas tenga una
superficie especialmente reducida. La figura 7 muestra la disposición de una
estación destinada a una transmisión bipolar de 1800 MW de potencia nominal.
Cada polo de la estación tiene conectados en serie dos grupos de doce pulsos de
450 MW cada uno y con 250 kV de tensión continua nominal.
En los casos en que haya un espacio muy reducido,
puede ser conveniente una instalación de varios pisos. La figura 8 muestra una
vista en planta y sección de una posible disposición de una instalación para la
transmisión de corriente continua en alta tensión para conexión con cable. La
instalación de distribución de corriente alterna y de corriente continua, así
como todas las interconexiones, son blindadas y aisladas con SF6. Las válvulas
de tiristores están montadas en torres que contienen cuatro válvulas por unidad
y provistas de aislamiento por aire. En función de las condiciones exteriores,
para las instalaciones de transmisión de corriente continua en alta tensión, de
este tipo, se puede conseguir una superficie de montaje tan reducida como 1 m2/MW.
Fig. 6: Disposición de una instalación para la
transmisión de corriente continua en alta tensión, intemperie, y para una
tensión nominal de ±533 kV, e intensidad nominal 1800 A: 1, alimentación de
corriente alterna; 2, instalación de distribución de corriente alterna; 3,
circuitos de filtrado de corriente alterna; 4, transformadores rectificadores
de corriente; 5, tiristores y válvulas rectificadoras de corriente; 6,
instalación de distribución de corriente continua; 7, reactancias de alisamiento;
8, condensadores de protección contra rayos/filtros para tensión continua: 9,
salida de la línea de corriente continua; 10, línea de los electrodos a tierra;
11, intercambiador de calor; 12, edificio de control; 13, servicios auxiliares
de la instalación; 14, taller para trabajos de mantenimiento; 15, condensadores
de compensación.
Fig. 7: Disposición de una instalación para la
transmisión de corriente continua en alta tensión con válvulas siguiendo la
técnica de interior para una tensión nominal de ±500 kV, e intensidad nominal
1800 A: 1, edificio donde van alojadas las válvulas; 2, transformadores
rectificadores de corriente; 3, circuitos de filtros para corriente alterna y
compensadores síncronos; 4, instalación de distribución de corriente alterna;
5, reactancias alisadoras; 6. instalación de distribución de corriente continua;
7, filtros para corriente continua; 8, alimentación de corriente alterna SS1 y
SS2; 9, línea de corriente continua polo 1 y polo 2; 10, línea de electrodos a
tierra.
Fig. 8: Instalación de transmisión de corriente
continua en alta tensión, en ejecución compacta y de forma constructiva de
varios pisos: a) sección transversal del edificio; b) vista en planta: 1,
transformadores; 2, reactancia alisadora; 3, válvula rectificadora de
corriente; 4, instalación de distribución de corriente alterna y de corriente
continua; 5, filtro de corriente alterna; 6, salidas de líneas de corriente
alterna; 7, salidas de líneas de corriente continua.
FUENTE:
Manual de instalaciones de distribución de
energía eléctrica (BBC Brown Boveri)
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