Interesante artículo de Circutor ¿Es válida cualquier batería con filtros para compensar reactiva en redes con armónicos?

La particularidad de la compensación de energía reactiva en redes que presentan significativos niveles de distorsión armónica, tanto en tensión como en corriente, es un tema cada vez más conocido por los responsables de prescribir la batería de condensadores apropiada para cualquier instalación eléctrica.

De manera general, la mayoría de fabricantes de baterías automáticas de condensadores incorporan en su catálogo equipos diseñados para su uso en redes con distorsiones armónicas de cierto nivel. CIRCUTOR, en particular, ofrece una completa gama de baterías automáticas de condensadores, tanto con maniobra por contactores como por tiristores, así como de grupos de compensación fijos, equipados con filtros de rechazo (también conocidos como filtros desintonizados) con una sintonía de 189 Hz (en redes de 50 Hz), correspondiente a un factor de sobretensión de p = 7 %.

Esta sintonía de 189 Hz es el estándar escogido por CIRCUTOR, pues ofrece una solución adecuada y efectiva para la gran mayoría de las instalaciones que requieren una batería equipada con filtros de rechazo, al ser apropiada para la presencia de armónicos de orden 5 (250 Hz en redes de 50 Hz) o superior, que son los habitualmente generados por las más habituales fuentes de corrientes armónicas, esto es, cargas trifásicas equipadas con un puente rectificador de 6 pulsos en su entrada: variadores de velocidad o frecuencia, rectificadores AC/DC, hornos de inducción,…

Para el caso, bastante menos habitual, de predominio de armónicos de orden 3 (150 Hz en redes de 50 Hz), se ofrece de manera optativa el montaje de filtros de rechazo sintonizados a 134 Hz (factor de sobretensión de p = 14 %).

• ¿Supone entonces esta estandarización en la frecuencia de resonancia de 189 Hz, que la elección de la batería de condensadores debe efectuarse simplemente escogiendo la de potencia necesaria entre los modelos estándar?
  La respuesta es sencillamente: no.

• ¿Existe entonces algún error en haber elegido esta frecuencia de 189 Hz como la estándar?
  La respuesta vuelve a ser sencillamente: no.

La respuesta a esta pregunta requiere de un breve repaso del principio de funcionamiento de los filtros de rechazo. Si observamos la gráfica de impedancia-frecuencia de un conjunto serie reactancia-condensador con p = 7 % (Fig. 1), vemos que ofrece la menor impedancia a 189 Hz, y la impedancia aumenta paulatinamente a ambos lados de ésta, con la particularidad, que la impedancia es de carácter capacitivo en frecuencias menores a 189 Hz, y de carácter inductiva, para frecuencias superiores.

"Es precisamente ese carácter inductivo ante las frecuencias armónicas de orden 5 ó superior la que evita la posibilidad de que se produzca un fenómeno de resonancia a alguna de dichas frecuencias."

Pero también constituye un parámetro clave para el correcto funcionamiento del filtro de rechazo, el valor de dicha impedancia a las diferentes frecuencias armónicas, así como lo es el valor de la impedancia de cortocircuito en el punto de conexión de la batería a la red (Xcc en PCC).

Fig. 1 Respuesta en frecuencia de un filtro de rechazo con p = 7 % (189 Hz)

En una red equipada con un filtro de rechazo, con un diagrama unifilar y un esquema equivalente como los reflejados en la Fig. 2, lo habitual es que la impedancia de cortocircuito (Xcc) en el punto de conexión de la batería a la red (PCC) sea significativamente inferior a la impedancia de cada escalón de la batería de condensadores, de manera que la absorción por parte de cada escalón de las corrientes armónicas circulantes por la red debe ser relativamente baja comparada con la que circula hacia la red, pues ése es el camino de menor impedancia.

Pero la situación puede cambiar en el caso de redes donde el valor Xcc sea alto, es decir, en redes donde la potencia de cortocircuito (Scc) en el PCC sea bajo. A este tipo de redes se les conoce también con la denominación de redes blandas.

Fig. 2 Diagrama unifilar y Esquema equivalente de una instalación equipada con filtro de rechazo

Instalaciones que pueden ser susceptibles de presentar esta situación son aquéllas donde la potencia de cortocircuito en la red de distribución de Alta Tensión sea baja en el punto de acople de la red de baja tensión, o bien están alimentadas por un transformador de potencia con un valor de factor K (factor de sobrecarga de armónicos) no adecuado, por defecto, al contenido armónico de las cargas que está alimentando, o bien existen tramos largos de cables entre la salida del transformador y el PCC de la batería a la red, implicando una alta impedancia en dicho tramo.

En estos casos, el efecto más habitual que se presenta es el aumento de las corrientes armónicas absorbidas por los escalones de la batería de condensadores. Este aumento puede llegar a ser en algunos casos muy importante, sobrecargando de manera severa a los condensadores y reactancias que componen cada filtro de rechazo, y acelerando, especialmente en el caso de los condensadores, su deterioro, normalmente en forma de disminución de su capacidad. Esa disminución de la capacidad incrementa incluso la absorción de corrientes armónicas, pues, como puede deducirse de la fórmula que determina la frecuencia de resonancia (Fig. 1), una disminución de la capacidad implica un aumento de la frecuencia de sintonía, de manera que ésta se acerca aún más a las frecuencias armónicas presentes en la red (recordemos que generalmente es la de orden 5 la predominante), reduciendo así la impedancia a dicha frecuencia y, por consiguiente, incrementando el consumo de corrientes de dicha orden.

En otras palabras, el filtro desintonizado pasa a tener un comportamiento más similar al de un filtro sintonizado o filtro de absorción, pero al no haber sido diseñado para dicho uso, se sobreexcede su capacidad, provocando su deterioro.

Se suma además a este efecto, el hecho de que las redes con valores bajos de Scc, suelen presentar, en el caso de que haya una circulación elevada de corrientes armónicas, altos niveles de distorsión armónica (THD(U)), lo que supone un elemento más que contribuye en el aumento de la corriente armónica absorbida por los condensadores.

En definitiva, una solución adoptada para impedir que la instalación de una batería de condensadores afecte a la red y, a su vez, se vea la misma afectada, por la existencia de armónicos en la red, puede no proporcionar los resultados esperados, con la consiguiente problemática tanto a nivel técnico como comercial que ello, sin duda, conllevará.

¿Qué opción podemos considerar entonces a la hora de plantear una compensación de reactiva por medio de una batería con filtros de rechazo en ese tipo de instalaciones?

El primer punto sería obviamente determinar si la instalación a ser compensada puede o no ser del tipo expuesto, es decir, una red blanda. Desafortunadamente no hay un método infalible y simple de hacerlo, pero si que hay una serie de condicionantes que pueden ayudarnos a una determinación con un grado razonablemente alto de acierto. Los principales son los que se enumeran a continuación:

• Se observa una sensible disminución del valor de la tensión entre la condición de vacío (sin carga) y de plena carga, y el nivel de distorsión armónica en corriente (THD(I)) es superior a un 15 % en condiciones de plena carga.
• El nivel de distorsión armónica en tensión (THD(U)), en el punto donde va a conectarse la batería de condensadores, es de un valor superior a un 3 % en condiciones de vacío de la instalación.
• El nivel de distorsión armónica en tensión (THD(U)), en el punto donde va a conectarse la batería de condensadores, es de un valor superior a un 6 % en condiciones de carga normal de la instalación.

En el caso de que se cumpla alguna o varias de las anteriores situaciones, es altamente aconsejable la prescripción de una batería de condensadores equipada con filtros de rechazo con una sintonía diferente a la estándar de 189 Hz (siempre, naturalmente, en el supuesto de que los armónicos presentes en la red sean de orden 5 ó superior).

¿Qué sintonía es entonces la aconsejada?

CIRCUTOR propone para estos casos una sintonización en un valor de 170 Hz, correspondiente a p = 8,7 %, que confiere altos niveles de protección a la batería de condensadores al ser instalada en redes de la mencionada tipología.

¿Qué conseguimos con ese cambio de sintonía?

Recordando la gráfica de la respuesta en frecuencia de un filtro de rechazo (Fig. 1), se observa que al disminuir la frecuencia de resonancia, se aumenta la impedancia que el filtro presenta a los armónicos de orden 5 ó superior, por tanto, reducimos significativamente la posibilidad de altos consumos de dichas corrientes armónicas. Además, este cambio de sintonía se acompaña además del uso de condensadores de tensión nominal superior a los utilizados en los filtros estándar de p = 7 %, y del uso de reactancias con un valor de inductancia (mH) también superior a los estándar. Todo ello resulta en una batería de condensadores sensiblemente más robusta que su análoga en potencia con p = 7 %.

A continuación se describe un caso real, donde la aplicación de dos baterías de filtros de rechazo, con maniobra por tiristores, y conjuntos reactancia-condensador sintonizados a 170 Hz, ha permitido conseguir una perfecta compensación de la red y, adicionalmente, ha mejorado ostensiblemente la calidad de suministro (calidad de la tensión) en dicha red.

La instalación corresponde a un funicular de la ciudad de Barcelona, cuyo esquema unifilar simplificado es el mostrado en la Fig. 3.

Fig. 3 Esquema unifilar simplificado de la instalación de un funicular de la ciudad de Barcelona

Fig. 4 Instalación del funicular. La batería de condensadores se observa a la izquierda de la foto

Este tipo de instalaciones presentan claramente una sintomatología similar a la expuesta para determinar si son o no susceptibles de presentar problemas en el caso de que se instale una batería de condensadores con filtros de rechazo convencional, pues suelen situarse lejos de la subestación en alta tensión que los alimenta, con una distancia entre el transformador MT/BT y la principal carga, en este caso, el convertidor de potencia y el motor de accionamiento, habitualmente de varios metros y, con la existencia, precisamente, de un convertidor de potencia que hace que el nivel de distorsión armónica en corriente sea bastante elevado.

La Fig. 5 muestra la evolución de las potencias activas y reactiva inductiva (periodo de integración de 1 s) en uno de los dos transformadores de la instalación. La batería de condensadores, que corresponde es un equipo de CIRCUTOR, con maniobra por tiristores, de 6 x 55 kvar / 500 V / 50 Hz / p = 8,7 %, está desconectada.

Fig. 5 Evolución de la Potencia Trifásica Activa Generada (rojo), Potencia Trifásica Activa Consumida (verde), y Potencia Reactiva Inductiva Consumida (morado y azul)

La Fig. 6 denota con claridad la influencia en la tensión de la red del valor de la corriente que suministra el transformador, otro claro síntoma de red blanda.

Fig. 6 Evolución de la Tensión entre fases L1 y L2 (azul) y de la Intensidad de la Corriente en L1 (verde) en el Punto A

La Fig. 7 presenta la evolución de los niveles de distorsión en tensión THD(U), significativamente altos en los momentos de mayor consumo de intensidad de corriente por parte del convertidor de potencia.

Fig. 7 Evolución de la distorsión armónica en tensión por fase en el Punto A

Fig. 8 Formas de onda de la tensión y la corriente en los momentos de máximo consumo del convertidor

La Fig. 9 muestra la evolución de las potencias activas y reactiva inductiva (periodo de integración de 1 s) en uno de los dos transformadores de la instalación. La batería de condensadores se encuentra ya en funcionamiento.

Fig. 9 Evolución de la Potencia Trifásica Activa Generada (rojo), Potencia Trifásica Activa Consumida (verde), y Potencia Reactiva Inductiva Consumida (morado y azul)

La Fig. 10 muestra como la reducción del valor de la corriente que debe suministrar el transformador reduce muy sensiblemente las variaciones de la tensión en la red, mejorando la calidad de suministro.

Fig. 10 Evolución de la Tensión entre fases L1 y L2 (azul) y de la Intensidad de la Corriente en L1 (verde) en el Punto A

La Fig. 11 presenta la evolución de los niveles de distorsión en tensión THD(U) cuando el equipo de compensación de reactiva está en funcionamiento. Comparando dichos valores con los de la Fig. 7, puede observarse una sensible reducción de las tasas de distorsión armónica en tensión (alrededor de un 40 % para los valores máximos). La conexión de la batería tiene un doble efecto reductor de dichas tasas, efecto causado tanto por la absorción de cierto porcentaje de la corriente armónica generada por el convertidor por parte de los condensadores (en este caso, sin suponer riesgo en éstos al tratarse de un equipo reforzado para dicha situación), como por la reducción de la corriente que circula entre la salida del transformador de potencia y el PCC, lo que disminuye de manera importante la caída de tensión armónica en dicho cable, así como reduce las propias pérdidas internas en el transformador. En definitiva, la calidad de la tensión en la red, si bien sigue presentando niveles de distorsión elevados, mejora hasta valores más tolerables, repercutiendo en una sensible mejoría de la calidad de suministro eléctrico en la instalación, minimizando así el riesgo de malfuncionamiento del equipamiento.

Fig. 11 Evolución de la distorsión armónica en tensión por fase en el Punto A