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.