We use our own and third-party cookies to improve browsing and provide content of interest.

In continuing we understand that you accept our Cookies Policy. You can modify the cookies storage options in your browser. Learn more

I understand

Destacats

És vàlida qualsevol bateria amb filtres per compensar reactiva en xarxes amb harmònics?

on .

La solució per compensar energia reactiva en xarxes amb distorsió harmònica sol basar-se en equips estandarditzats, però en certs casos, es requereix l'aplicació d'equips específics.

Bateries de condensadors amb filtres de rebuig

La particularitat de la compensació d'energia reactiva en xarxes que presenten significatius nivells de distorsió harmònica, tant en tensió com en corrent, és un tema cada cop més conegut pels responsables de prescriure la bateria de condensadors apropiada per a qualsevol instal·lació elèctrica.

De manera general, la majoria de fabricants de bateries automàtiques de condensadors incorporen en el seu catàleg equips dissenyats per al seu ús en xarxes amb distorsions harmòniques de cert nivell. CIRCUTOR, en particular, ofereix una completa gamma de bateries automàtiques de condensadors, tant amb maniobra per contactors com per tiristors, així com de grups de compensació fixes, equipats amb filtres de rebuig (també coneguts com a filtres desintonitzats) amb una sintonia de 189 Hz (en xarxes de 50 Hz), corresponent a un factor de sobretensió de p = 7 %.

Aquesta sintonia de 189 Hz és l'estàndard escollit per CIRCUTOR, ja que ofereix una solució adequada i efectiva per a la gran majoria de les instal·lacions que requereixen una bateria equipada amb filtres de rebuig, al ser apropiada per a la presència d'harmònics d'ordre 5 (250 Hz en xarxes de 50 Hz) o superior, que són els habitualment generats per les més habituals fonts de corrents harmònics, com són, càrregues trifàsiques equipades amb un pont rectificador de 6 pulsos a la seva entrada: variadors de velocitat o freqüència, rectificadors AC/DC, forns d'inducción,…

Per al cas, bastant menys habitual, de predomini d'harmònicos d'ordre 3 (150 Hz en xarxes de 50 Hz), s'ofereix de manera optativa el muntatge de filtres de rebuig sintonitzats a 134 Hz (factor de sobretensió de p = 14 %).

  • Suposa doncs aquesta estandardització en la freqüència de ressonància de 189 Hz, que l'elecció de la bateria de condensadors ha d'efectuar-se simplemente escollint la de potència necessària entre els models estàndard?
    La resposta és senzillament: no.
  • Existeix doncs algun error en haver escollit aquesta freqüència de 189 Hz com l'estàndard?
    La resposta torna a ser senzillament: no.

 

On radica doncs la problemàtica?


Tipologia de xarxes elèctriques

La resposta a aquesta pregunta requereix d'un breu repàs del principi de funcionament dels filtres de rebuig. Si observem la gràfica d'impedància-freqüència d'un conjunt sèrie reactància-condensador amb p = 7 % (Fig. 1), veiem que ofereix la menor impedància a 189 Hz, i la impedància augmenta paulatinament a ambdós costats d'aquesta, amb la particularitat, que la impedància és de caràcter capacitiu en freqüències menors a 189 Hz, i de caràcter inductiu, per a freqüències superiors.

"És precisament aquest caràcter inductiu davant les freqüències harmòniques d'ordre 5 ó superior el que evita la possibilitat de que es produeixi un fenòmen de ressonància a alguna d'aquestes freqüències."

 

Però també constitueix un paràmetre clau per al correcte funcionament del filtre de rebuig, el valor de dita impedància a les diferents freqüències harmòniques, així com ho és el valor de la impedància de curtcircuit en el punt de connexió de la bateria a la xarxa (Xcc en PCC).

Fig. 1 Resposta en freqüència d'un filtre de rebuig amb p = 7 % (189 Hz)
Fig. 1 Resposta en freqüència d'un filtre de rebuig amb p = 7 % (189 Hz)

En una xarxa equipada amb un filtre de rebuig, amb un diagrama unifilar i un esquema equivalente com els reflexats en la Fig. 2, lo habitual és que la impedància de curtcircuit (Xcc) en el punt de connexió de la bateria a la xarxa (PCC) sigui significativament inferior a la impedància de cada graó de la bateria de condensadors, de manera que l'absorció per part de cada graó dels corrents harmònics circulants per la xarxa ha de ser relativament baixa comparada amb la que circula cap a la xarxa, doncs aquest és el camí de menor impedància.

Però la situació pot canviar en el cas de xarxes on el valor Xcc sigui alt, és a dir, en xarxes on la potència de curtcircuit (Scc) en el PCC sigui baix. A aquest tipus de xarxes se les coneix també amb la denominació de xarxes toves.

Fig. 2 Diagrama unifilar i Esquema equivalent d'una instal·lació equipada amb filtre de rebuig

Fig. 2 Diagrama unifilar i Esquema equivalent d'una instal·lació equipada amb filtre de rebuig

Instal·lacions que poden ser susceptibles de presentar aquesta situació són aquelles on la potència de curtcircuit en la xarxa de distribució d'Alta Tensió sigui baixa en el punt d'acoblament de la xarxa de baixa tensió, o bé estan alimentades per un transformador de potència amb un valor de factor K (factor de sobrecàrrega d'harmònics) no adequat, per defecte, al contingut harmònic de les càrregues que està alimentant, o bé existeixen trams llargs de cables entre la sortida del transformador i el PCC de la bateria a la xarxa, implicant una alta impedància en aquest tram.

En aquests casos, l'efecte més habitual que es presenta és l'augment dels corrents harmònics absorbides pels graons de la bateria de condensadors. Aquest augment pot arribar a ser en alguns casos molt important, sobrecarregant de manera severa els condensadors i rectàncies que composen cada filtre de rebuig, i accelerant, especialment en el cas delsl condensadors, el seu deteriorament, normalment en forma de disminució de la seva capacitat. Aquesta disminució de la capacitat incrementa inclús l'absorció de corrents harmònics, doncs, com pot deduir-se de la fòrmula que determina la freqüència de ressonància (Fig. 1), una disminució de la capacitat implica un augment de la freqüència de sintonia, de manera que aquesta s'acosta encara més a les freqüències harmòniques presents a la xarxa (recordem que generalment és la d'ordre 5 la predominant), reduint així la impedància a aquesta freqüència i, per tant, incrementant el consum de corrents d'aquest ordre.

En altres paraules, el filtre desintonitzat passa a tenir un comportament més similar al d'un filtre sintonitzat o filtre d'absorció, però al no haver estat dissenyat per a tal ús, s'excedeix la seva capacitat, provocant el seu deteriorament.

Es suma a més a aquest efecte, el fet de que les xarxes són valors baixos de Scc, solen presentar, en el cas de que hi hagi una circulació elevada de corrents harmònics, alts nivells de distorsió harmònica (THD(U)), la qual cosa suposa un element més que contribueix a l'augment del corrent harmònic absorbit pels condensadors.

En definitiva, una solució adoptada per impedir que la instal·lació d'una bateria de condensadors afecti a la xarxa i, al mateix temps, aquesta es vegi afectada, per l'existència d'harmònics en la xarxa, pot no proporcionar els resultats esperats, amb la consegüent problemàtica tant a nivell tècnic com comercial que, sens dubte, comportarà.

Solucions especials per ser aplicades

Quina opció podem considerar doncs a l'hora de plantejar una compensació de reactiva per mitjans d'una bateria amb filtres de rebuig en aquest tipus d'instal·lacions?

El primer punt seria obviament determinar si la instal·lació a ser compensada pot o no ser del tipus exposat, és a dir, una xarxa tova. Desafortunadament no hi ha un mètode infalible i simple de fer-ho, però sí que hi ha una sèrie de condicionants que puguin ajudar-nos a una determinació amb un grau raonablement alt d'encert. Els principals són els que s'enumeren a continuació:

  • S'observa una sensible disminució del valor de la tensió entre la condició de buit (sense càrrega) i de plena càrrega, i el nivell de distorsió harmònica en corrent (THD(I)) és superior a un 15 % en condicions de plena càrrega.
  • El nivell de distorsió harmònica en tensió (THD(U)), en el punt on va a connectar-se la bateria de condensadors, és d'un valor superior a un 3 % en condicions de buit de la instal·lació.
  • El nivell de distorsió harmònica en tensió (THD(U)), en el punt on va a connectar-se la bateria de condensadors, és d'un valor superior a un 6 % en condicions de càrrega normal de la instal·lació.

En el cas de que es cumpleixi alguna o vàries de les anteriors situacions, és altament aconsellable la prescripció d'una bateria de condensadors equipada amb filtres de rebuig amb una sintonia diferent a l'estàndard de 189 Hz (sempre, naturalment, en el supòsit de que els harmònics presents en la xarxa siguin d'ordre 5 ó superior).

Quina sintonia és llavors l'aconsellada?

CIRCUTOR proposa per a aquests casos una sintonització en un valor de 170 Hz, corresponent a p = 8,7 %, que confereix alts nivells de protecció a la bateria de condensadors al ser instal·lada en xarxes de la mencionada tipologia.

Què aconseguim amb aquest canvi de sintonia?

Recordant la gráfica de la resposta en freqüència d'un filtre de rebuig (Fig. 1), s'observa que al disminuir la freqüència de ressonància, s'augmenta la impedància que el filtre presenta als harmònics d'ordre 5 ó superior, per tant, reduïm significativament la possibilitat d'alts consums d'aquests corrents harmònics. A més, aquest canvi de sintonia s'acompanya a més de l'ús de condensadors de tensió nominal superior als utilitzats en els filtres estàndard de p = 7 %, i de l'ús de reactàncies amb un valor d'inductància (mH) també superior als estàndards. Tot això resulta en una bateria de condensadors sensiblement més robusta que la seva anàloga en potència amb p = 7 %.

Cas d'estudi

A continuació es descriu un cas real, on l'aplicació de dues bateries de filtres de rebuig, amb maniobra per tiristors, i conjunts reactància-condensador sintonitzats a 170 Hz, ha permès aconseguir una perfecta compensació de la xarxa i, addicionalment, ha millorat ostensiblement la qualitat de subministrament (qualitat de la tensió) en dita xarxa.

La instal·lació correspon a un funicular de la ciutat de Barcelona, l'esquema unifilar simplificado del qual és el mostrat a la Fig. 3.

Fig. 3 Esquema unifilar simplificat de la instal·lació d'un funicular de la ciutat de Barcelona
Fig. 3 Esquema unifilar simplificat de la instal·lació d'un funicular de la ciutat de Barcelona

Fig. 4 Instal·lació del funicular. La bateria de condensadors s'observa a l'esquerra de la foto
Fig. 4 Instal·lació del funicular. La bateria de condensadors s'observa a l'esquerra de la foto

Aquest tipus d'instal·lacions presenten clarament una sintomatologia similar a l'exposada per determinar si són o no susceptibles de presentar problemes en el cas de que s'instal·li una bateria de condensadors amb filtres de rebuig convencional, doncs solen situar-se lluny de la subestació en alta tensió que els alimenta, amb una distància entre el transformador MT/BT i la principal càrrega, en aquest cas, el convertidor de potència i el motor d'accionament, habitualment de varis metres i, amb l'existència, precisament, d'un convertidor de potència que fa que el nivell de distorsió harmònica en corrent sigui bastant elevat.

Situació prèvia a la instal·lació de la bateria de condensadors

La Fig. 5 mostra l'evolució de les potències actives i reactiva inductiva (període d'integració d'1 s) en un dels dos transformadors de la instal·lació. La bateria de condensadors que correspon és un equip de CIRCUTOR, amb maniobra per tiristors, de 6 x 55 kvar / 500 V / 50 Hz / p = 8,7 %, està desconnectada.

Fig. 5 Evolució de la Potència Trifàsica Activa Generada (vermell), Potència Trifàsica Activa Consumida (verd), i Potencia Reactiva Inductiva Consumida (morat i blau)
Fig. 5 Evolució de la Potència Trifàsica Activa Generada (vermell), Potència Trifàsica Activa Consumida (verd), i Potencia Reactiva Inductiva Consumida (morat i blau)

La Fig. 6 denota amb claredat la influència en la tensió de la xarxa del valor del corrent que subministra el transformador, un altre clar símptoma de xarxa tova.

Fig. 6 Evolució de la Tensió entre fases L1 i L2 (blau) i de la Intensitat del Corrente en L1 (verd) en el Punt A
Fig. 6 Evolució de la Tensió entre fases L1 i L2 (blau) i de la Intensitat del Corrente en L1 (verd) en el Punt A

La Fig. 7 presenta l'evolució dels nivells de distorsió en tensió THD(U), significativament alts en els moments de major consum d'intensitat de corrent per part del convertidor de potència.

Fig. 7 Evolució de la distorsió harmònica en tensió per fase en el Punt A
Fig. 7 Evolució de la distorsió harmònica en tensió per fase en el Punt A

Fig. 8 Formes d'ona de la tensió i el corrent en els moments de màxim consum del convertidor
Fig. 8 Formes d'ona de la tensió i el corrent en els moments de màxim consum del convertidor

Situació actual, després de la instal·lació de la bateria de condensadors

La Fig. 9 mostra l'evolució de les potències actives i reactiva inductiva (període d'integració d'1 s) en un dels dos transformadors de la instal·lació. La bateria de condensadors es troben ja en funcionament.

Fig. 9 Evolució de la Potència Trifàsica Activa Generada (vermell), Potència Trifàsica Activa Consumida (verd), i Potència Reactiva Inductiva Consumida (morat i blau)
Fig. 9 Evolució de la Potència Trifàsica Activa Generada (vermell), Potència Trifàsica Activa Consumida (verd), i Potència Reactiva Inductiva Consumida (morat i blau)

La Fig. 10 mostra com la reducció del valor del corrent que ha de subministrar el transformador redueix molt sensiblement les variacions de la tensió en la xarxa, millorant la qualitat de subministrament.

Fig. 10 Evolució de la Tensió entre fases L1 i L2 (blau) i de la Intensitat del Corrent en L1 (verd) en el Punt A
Fig. 10 Evolució de la Tensió entre fases L1 i L2 (blau) i de la Intensitat del Corrent en L1 (verd) en el Punt A

La Fig. 11 presenta l'evolució dels nivells de distorsió en tensió THD(U) quan l'equip de compensació de reactiva està en funcionament. Comparant aquests valors amb els de la Fig. 7, pot observar-se una sensible reducció de les taxes de distorsió harmònica en tensió (al voltant d'un 40 % per als valors màxims). La connexió de la bateria té un doble efecte reductor de dites taxes, efecte causat tant per l'absorció de cert percentatge del corrent harmònic generat pel convertidor per part dels condensadors (en aquest cas, sense suposar-ne risc al tractar-se d'un equip reforçat per a tal situació), com per la reducció del corrent que circula entre la sortida del transformador de potència i el PCC, la qual cosa disminueix de manera important la caiguda de tensió harmònica en el cable, així com redueix les pròpies pèrdues internes en el transformador. En definitiva, la qualitat de la tensió en la xarxa, si bé segueix presentant nivells de distorsió elevats, millora fins a valor més tolerables, repercutint en una sensible millora de la qualitat de subministrament elèctric en la instal·lació, minimitzant així el risc de malfuncionament de l'equipament.

Fig. 11 Evolució de la distorsió harmònica en tensió per fase en el Punt A
Fig. 11 Evolució de la distorsió harmònica en tensió per fase en el Punt A

Conclusions finals

De les diverses conclusions a les que condueix tot el comentat anteriorment, podem considerar que la principal seria la recomanació, per altra part habitual i constant per part de CIRCUTOR, d'efectuar, en la mesura del possible, una anàlisi de qualsevol instal·lació que requereix la incorporació d'una bateria de condensadors per a compensació de reactiva, davant la qual ens poden sorgir dubtes raonables d'una possible problemàtica anivell de la distorsió harmònica existent a la xarxa; una anàlisi que ens proporcioni la informació necessària per a la correcta i segura selecció de l'equipo mes adequat per a cada cas particular. Recordar, en aquest sentit, que CIRCUTOR posa a disposició del mercat, una completa gamma d'analitzadors de xarxes, de la més recent i avançada tecnologia que, conjuntament amb una eficaç software de gestió de dades, permet realitzar qualsevol estudi referent a la temàtica exposada en aquest article.

CIRCUTOR, el vostre més fiable aliat davant qualsevol necessitat referida al camp de la compensació de reactiva i el filtratge d'harmònics

Més informació:

Solucions per a Compensació de Reactiva en Baixa Tensió

circutor32x32

Contacte

CIRCUTOR, SA
Vial Sant Jordi s/n, 08232
Viladecavalls (Barcelona) Spain
Tel: (+34) 93 745 29 00
Fax (+34) 93 745 29 14

Servei d'Assistència Tècnica

(+34) 93 745 29 19

SAT