13. Importancia de los reactivos en la operación de SEP

Ante las restricciones económicas y ambientales, así como la nueva estructura del sector eléctrico nacional y mundial, surge la necesidad de implementar elementos de compensación en los Sistemas de Transmisión de Energía Eléctrica, con la finalidad de contribuir con el control de voltaje y potencia reactiva para una operación confiable y eficiente de los Sistemas de Potencia.

 Impacto de Reactivos en el Sistema

La relación entre la potencia activa con la potencia aparente es denominada factor de potencia. Un bajo factor de potencia en una instalación eléctrica representa un alto consumo de corriente reactiva y por consiguiente un aumento del costo de suministrar la potencia activa necesaria, dado que debe dimensionarse la red para abastecer la potencia aparente necesaria, es decir para permitir el flujo de reactivos.

Usualmente hay normativas que regulan el factor de potencia en el sistema, y establecen un cargo por consumo de potencia reactiva a las empresas distribuidoras con el fin de que corrijan el factor de potencia en los puntos donde la distribuidora se abastece de energía.

 La circulación de potencia reactiva ocasiona algunos de los siguientes problemas al sistema eléctrico:

• Disminuye la capacidad de transmisión de potencia activa por la red.
• Genera cargos por bajo factor de potencia.
• Aumenta las pérdidas y genera caídas de tensión en la red.

 Transformadores de Potencia y consumo de Reactivos

El transformador es un equipo eléctrico estático, cuya operación solo es posible en sistemas de corriente alterna. Permite que la generación y la transmisión eléctrica se realicen a un nivel de tensión más económico, para luego utilizar la energía a un voltaje que resulte adecuado para su uso específico.

Un transformador consiste en dos o más enrollados enlazados por un flujo magnético mutuo ∅𝑚, el diagrama simplificado se observa en la Figura 6. Si uno de los enrollados, denominado comúnmente como primario, es conectado a una fuente de tensión de alterna 𝑉1, circula por él una corriente 𝐼𝑒 que genera el flujo enlazado cuya magnitud dependerá de la tensión aplicada y del número de vueltas del enrollado primario. Parte de este flujo enlaza el otro enrollado, denominado secundario, induciendo una tensión con una magnitud dependiente del número de vueltas del secundario.

El que las tensiones inducidas, 𝐸1 y 𝐸2, dependan del número de vueltas de los enrollados, deriva en la ecuación:

donde 𝑁1 y 𝑁2 es el número de vueltas de cada enrollado y 𝑎 se denomina razón de transformación [8]. Esta expresión se cumple sólo cuando el modelo considera un transformador ideal.

Las perdidas activas en los enrollados son constructivamente pequeñas en comparación con las reactivas, de ahí es que el transformador es un equipo naturalmente inductivo. Al ignorar las pérdidas del hierro el modelo mostrado en la Figura:

Al ser un equipo inductivo la impedancia interna del transformador consumirá reactivos constantemente. La potencia reactiva consumida por la reactancia de fuga varía en función de la carga a la que el transformador es sometido, no obstante, la corriente que fluye por la reactancia de magnetización, que corresponde cerca del 2% de la corriente total, permanece prácticamente constante desde la situación de no carga a la de carga máxima.

Si se desprecia la reactancia de magnetización, dado lo pequeña de la corriente de magnetización, es posible estimar el consumo reactivo del transformador en la reactancia de fuga 𝑋𝐿 en función de la corriente que circula por ella, que a su vez depende de la carga a la que se ve sometido el equipo.

El consumo reactivo trifásico del transformador queda dado por la ecuación:

donde la corriente se calcula en función de la carga y del voltaje en los terminales del transformador como se muestra en la ecuación.

Sumada a la función de transformación de tensión mencionada, los transformadores son también usualmente usado para el control de voltaje y flujo de potencia reactiva, lo que implica directamente en el cambio de razón de transformación entre los enrollados. Para realizar esta función en el secundario del transformador, se ha llevado a incluir cambiadores de derivación, conocidos también como “tap changer”, los taps generalmente permiten una variación de transformación de voltaje en el rango de un 10% a un 15%. La modificación del flujo de potencia que circula por el transformador se logra mediante un cambio de fase entre los terminales del equipo y se denomina transformador desfasador, los detalles de este tipo de transformador no son relevantes para contextualizar el presente informe.

Los cambiadores pueden operar sin carga o bajo carga, este último modo conocido como OLTC. El cambio de taps sin carga se debe realizar en vacío, es decir con el transformador des energizado para cambiar la razón de vueltas, lo que interrumpe el abastecimiento del sistema secundario. Este tipo de equipos se utilizan cuando la razón de vueltas a cambiar sólo necesita compensar pequeñas variaciones de voltaje debido al aumento de la carga o cuando la red no experimenta cambios significativos. Usualmente tiene pasos de 2 o 2,5% y un rango máximo de 5%.

Por otro lado, los OLTC se usan cuando los cambios en la razón de transformación se necesitan con mayor frecuencia, por ejemplo, frente a variaciones diarias significativas de tensión debido a cambios en las condiciones del sistema. Estos equipos son delicados, ya que cada operación de cambio de relación de los enrollados provoca una solicitación muy violenta para el transformador, tanto así que para que la corriente no se interrumpa, es necesario cortocircuitar cierto número de espiras durante el tiempo que dure el proceso de derivaciones involucradas. Lo anterior los convierte en equipos sensibles y sujetos a mantenimientos difíciles cada cierto número de operaciones, lo que indudablemente se traduce en un costo más elevado. Los pasos de estos equipos se han normalizado en valores como 1,25%, 1,5%, 2% y 2,5%.

Coordinación de Reactivos

En el horizonte de planificación, es necesario velar por una capacidad suficiente de recursos reactivos, con el objetivo de que el sistema de transmisión pueda adquirir los requerimientos de planificación y poder ser operado confiablemente en un amplio espectro de condiciones sistémicas y seguido de un amplio rango de contingencias probables. Para lograr esto es necesario una coordinación constante por parte de los actores del sistema, es por esta razón que la NERC (North American Electric Reliability Corporation) lo incluye como un apartado de su guía de planificación de reactivos. 

La NERC distingue tres procesos para la coordinación de reactivos en el límite involucrado: Modelación, Planificación y Operación.

El límite entre el sistema de transmisión y el de distribución es modelado en los flujos de potencia, análisis de estabilidad y en tiempo real, como cargas modeladas en MW o MVAr. Las cargas pueden ser simplemente modeladas en el lado de alta tensión de la barra o subestación o ser modeladas detrás del transformador de bajada y/o como las impedancias de distribución equivalentes.

El voltaje y el desempeño de la potencia reactiva del sistema, puede verse fuertemente afectado por el factor de potencia de carga, (LPF de sus siglas en inglés; Load Power Factor) modelado en el límite de transmisión y distribución. La coordinación de este es fundamental para la planificación. Ambas partes requieren generar acuerdos mutuos para establecer estándares de factor de potencia mínimos y máximos para asegurar confiabilidad.

El tener un mínimo y un máximo asegura que la componente reactiva de la carga no contribuirá a disminuir o aumentar el voltaje en la barra en estudio. Si el factor de potencia cae o sube de la banda permitida, el Distribuidor deberá tomar acciones en su plan de reactivos para corregirlo.

Importancia de la potencia reactiva

La potencia reactiva es tanto el problema como la solución de la red del sistema energético por varias razones. Desempeña un papel importante en el sistema de energía eléctrica para varias funciones, como satisfacer el requisito de energía reactiva, mejorar los perfiles de voltaje, disminuir la pérdida de la red, brindar suficiente reserva para garantizar la seguridad del sistema en situaciones de emergencia y otras funciones. 

Algunos de los aspectos que hacen esta característica importante son:

• Control de Voltaje
• Para satisfacer demanda de potencia reactiva
• Para reducir blackouts
• Para reducir flujo magnético.

Un sistema eléctrico debe diseñarse para mantener los valores de voltaje dentro de los niveles permitidos al proporcionar equipos de control en lugares convenientes. El método más común para mantener el perfil de voltaje es a través de la inyección y absorción de energía reactiva. En general, el aumento de la potencia reactiva hace que el voltaje del sistema aumente, mientras que la disminución de la potencia reactiva hace que el voltaje caiga.

A medida que caiga la tensión, se extraerá más corriente de la fuente para mantener la potencia, lo que provocará que las líneas consuman más potencia reactiva y, por lo tanto, caigan aún más la tensión. Esto provocará un colapso del voltaje. Este colapso de voltaje provoca el disparo de los generadores, la inestabilidad del sistema y el disparo de otros equipos conectados al sistema eléctrico.

Este colapso de voltaje se debe al hecho de que el sistema eléctrico no puede satisfacer la demanda de energía reactiva de la carga que no se está cumpliendo debido a la escasez de generación y transmisión de energía reactiva.

Para superar esto, las fuentes de energía reactiva como los condensadores en serie están conectadas a las cargas localmente, donde las cargas requieren potencia reactiva. Sin embargo, las empresas de distribución eléctrica cobran a los consumidores una penalización por la demanda de potencia reactiva si las cargas consumen una cantidad excesiva sobre la demanda permisible.

La potencia reactiva inadecuada en la red del sistema eléctrico ha sido una de las razones principales de los cortes de energía en todo el mundo. Una cantidad insuficiente de energía reactiva provoca un colapso de voltaje que finalmente conduce a la parada de las estaciones generadoras y diversos equipos. 

La mayoría de las cargas inductivas, como motores, transformadores, balastos y equipos de calentamiento por inducción, requieren potencia reactiva para producir un campo magnético. En las máquina eléctrica, una parte de la energía de entrada, es decir, la potencia reactiva se consume para crear y mantener el flujo magnético para hacerlo. Sin embargo, lleva a disminuir el factor de potencia. Para lograr un alto factor de potencia, los condensadores generalmente se conectan a través de estos dispositivos para suministrar la potencia reactiva.