Reactores Secos con Núcleo en Aire Tipo Shunt

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Reactores Secos con Núcleoen Aire Tipo ShuntPara Aplicaciones hasta 500 kV

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Trench es un proveedor especializado en productos eléctricos, con liderazgo reconocido mundialmente en el diseño y manufactura de rectores secos con núcleo en aire para aplicaciones en compañías eléctricas e industria.

Los rectores secos con núcleo en aire de Trench van desde unidades pequeñas de baja potencia reactiva (kvar) para aplicaciones tales como limitar corriente de inrush en bancos de capacitores o reducción de corrientes de corto circuito en sistemas de distribución, hasta los reactores mayor potencia para varias aplicaciones incluyendo los reactores tipo shunt, cuya potencia puede superar los 100Mvar por bobina

En general, existen dos tipos de construcción para los reactores tipo shunt. Comúnmente referidos como “secos” o “inmersos en aceite”. La construcción de los reactores inmersos en aceite consiste típicamente de una bobina y un núcleo de hierro, los cuales se disponen dentro de un tanque de acero, para posteriormente ser sumergidos en aceite aislante. Por otro lado, la solución de reactores tipo seco, consiste únicamente en la bobina y aisladores de soporte. No se tiene un núcleo de hierro o tanque de acero. El aislamiento a tierra es provisto simplemente por el espacio alrededor del embobinado del reactor y los aisladores de soporte. La configuración básica del reactor seco tipo shunt son unidades monofásicas con un arreglo adecuado, respetando distancias entre fases y conectados en estrella, ya sea sólidamente aterrizado o con neutro flotante. De ser requerido, el neutro del banco de reactores shunt en líneas de transmisión puede ser aterrizado por medio de un reactor.

Las dimensiones de la bobina dependen de muchos factores. De hecho, el peso y las dimensiones aumentarán con la potencia del reactor (Mvar). Para cumplir con los requerimientos de transportación e instalación, los límites superiores de las dimensiones referenciales de una unidad rondan los 4.5 metros (14.5 pies), tanto en altura como en diámetro. Estas dimensiones se traducen a una potencia máxima unitaria por fase de aproximadamente 120 Mvar a 60 Hz (considerando un reactor por fase). Se pueden alcanzar mayores potencias utilizando varios reactores por fase. Adicionalmente al rango básico de potencia (Mvar), hay otros factores que gobiernan el diseño y dimensiones de los reactores, por ejemplo: bajas pérdidas y requerimientos de voltaje. La longitud del embobinado del reactor con núcleo de aire tipo shunt es seleccionada para soportar los esfuerzos de tensión impuestos por la tensión del sistema a la cual los reactores están conectados. Los reactores tipo shunt con una altura aproximada de 5 metros, pueden ser conectados en sistemas con tensiones hasta 115 kV, en una configuración en estrella. Para tensiones mayores, se utilizan dos o más reactores por fase, conectados en seria para mantener los esfuerzos de tensión en la bobina, dentro de los límites aceptables.

Los reactores secos tipo shunt no tienen un núcleo de hierro o un tanque de acero que actúe como escudo. Por lo tanto el campo magnético no es restringido y este ocupará el espacio alrededor del reactor. Aun y cuando el campo magnético se reduce en magnitud conforme nos alejamos del reactor, la presencia de este campo, particularmente en reactores de gran potencia, necesita ser considerada por sus posibles efectos en otros componentes metálicos en la proximidad (redes de tierra, estructuras metálicas, etc.)

Introducción Reactores Shunt

Principales ventajas de los reactores con núcleo en aire tipo shunt vs. Inmersos en aceite

• sin riesgo ambiental, no requiere sistema de captación de aceite

• sin riesgo de fuego, no requiere un sistema anti-incendios

• prácticamente libre de mantenimiento y costos asociados

• menor obra civil, menor peso

• menor esfuerzos de transportación y manejo

• simplicidad en aislamiento a tierra (auto-regenerable)

• esquema de protección sencillo

• sin riesgo de fallas en boquillas

• corriente de magnetización baja – sin núcleo de hierro

• típicamente menor costo de inversión

• menor costo por unidades de repuesto (una fase)

• típicamente menor tiempo de entrega

• capacidad de arranque en frio (no es necesario calentar el aceite previo a la energización durante temperaturas ambientales bajas)


Como su nombre lo dice, los reactores tipo shunt son conectados en paralelo (shunt) al sistema de potencia para compensar la potencia reactiva capacitiva en sistemas de transmisión y distribución y por tanto para mantener los voltajes operativos en niveles admisibles.

Se pueden identificar dos aplicaciones principales para los reactores tipo shunt: a) reactores que requieren un servicio permanente por razones de estabilidad (especialmente en líneas de transmisión largas), o b) reactores que se utilizan para control de tensión en sistemas interconectados, los cuales son conectados únicamente en condiciones de carga ligera, cuando existe un exceso de potencia reactiva capacitiva.

Dependiente de varios factores, los reactores shunt pueden ser conectados ya sea en (1) el arrollamiento terciario de un transformador de potencia, ó (2) directamente en el bus de la subestación, ó (3) en los extremos de las líneas de transmisión, tal y como se muestra en la Figura 1

Reactores tipo Shunt conectados al terciario:

Dependiendo de los requerimientos del usuario, la potencia reactiva de los reactores shunt conectados al arrollamiento terciario del transformador de potencia, puede varias,desde unos pocos Mvar, hasta aproximadamente100 Mvar por fase. Derivado de los beneficios de su costo, la mayoría de los reactores para distribución y en general los reactores shunt conectados al terciario suelen ser del tipo seco. Dado que la conexión del terciario, usualmente es en voltajes de 34.5kV o menores, el nivel de tensión de este reactor shunt no es un factor determinante en la longitud del embobinado. Como resultado, el diseño de este reactor puede ser optimizado, reduciendo al mínimo la longitud del conductor y minimizando el costo. Estos diseños normalmente constituyen la solución más efectiva para compensación reactiva. La Figura 2 muestra un banco de reactores shunt - 20 kV, 45 Mvar 3 fases, 50 Hz.

Aplicación de Reactores tipo Shunt

(1)

(3) (3)(2)

Figura 1 – Aplicación de Reactores Shunt en sistemasde potencia

Figura 2 – Reactor Shunt en terciario - 20 kV, 45 Mvar 3 fases


La mayoría de los reactores shunt que se encuentran conectados directamente al bus de alta tensión o a las líneas de transmisión son del tipo inmersos en aceite. Sin embargo, en fechas recientes, se han aplicado los reactores tipo secos en tensiones hasta 345 kV y la demanda sigue creciendo. Uno de los factores de esta tendencia es la integración de fuentes de generación renovables, tales como los parques eólicos. Estas nuevas líneas o cables, requieren de una compensación reactiva considerable. Normalmente esto parques eólicos se encuentran en áreas ambientalmente sensibles, y esto favorece a la tecnología de reactores secos con núcleo en aire.

Para los reactores shunt tipo secos aplicados en tensiones de subtransmisión o transmisión, la caída de voltaje en estado estable a través de la superficie del reactor es un factor decisivo para los parámetros de diseño. Como mencionamos anteriormente, el embobinado de los reactores con una altura aproximada de 5 metros pueden ser conectados en sistemas con tensiones de hasta 115 kV, en configuración de estrella. Para sistemas con niveles de tensión mayores, se requieren de dos unidades, apiladas una sobre otra conectadas en serie.

La Figura 3 muestra dos bancos de reactores shunt de 138 kV, 20 Mvar 3 fases, 60 Hz directamente conectados. Cada fase consiste de dos bobinas apiladas, cada una de aproximadamente 4 metros de altura. Como se puede observar en la figura y de ser necesario, los reactores son elevados del nivel del piso por medio de pedestales de soporte, para que las partes vivas no queden accesibles al personal de la subestación.

Para sistemas con tensiones mayores, se deben de conectar más de dos bobinas en serie. En principio, al conectar varias bobinas en serie, los reactores shunt pudieran ser aplicados en cualquier nivel de tensión

La Figura 4 muestra un banco de reactores shunt en 345 kV, 20 Mvar, 3 fases, 60 Hz, que consiste de dos series de reactores apilados, montados una al lado de otro, resultando en un total de 4 series de bobinas conectadas por fase.

Reactores shunt conectados al bus o ala líneas de transmisión de alta tensión

Figura 3 – Reactores shunt (2 bancos) 138 kV, 20 Mvar 3 fases

Figura 4 – Reactor shunt - 345 kV, 20 Mvar 3 fases


La mayoría de las fallas en líneas de transmisión son de una fase a tierra, provocadas por la ruptura del aislamiento dieléctrico en el aire. Para despejar esas fallas, se requiere recuperar el dieléctrico del aire. Para esto, la fase afectada de la línea es temporalmente aislada por la apertura de un interruptor en ambos extremos de la línea, seguido de un recierre después de un tiempo programado. Esta operación se conoce como Auto Recierre de Fase o SPAR por sus siglas en inglés (single-phase auto-reclosing).

Largas líneas de transmisión de Extra Alta Tensión son normalmente operadas con reactores shunt permanentemente conectados a las líneas a nivel de subestación, aun cuando las líneas están desenergizadas. Las operaciones exitosas de SPAR en estas líneas compensadas, se obtienen por medio de un fenómeno llamada arqueo secundario. En lugar de la extinción del arco (primario), este arco se mantiene debido a la capacitancia e inductancia acoplada por las dos fases que no tuvieron falla. Un recierre exitoso se logra solamente si este arco secundario se extingue durante el periodo de desconexión del interruptor (al estar abierto). Para mitigar los arcos secundarios, una práctica comprobada es aumentar la impedancia de secuencia cero del reactor shunt por medio de un reactor adicional monofásico, conectado entre el neutro del reactor y tierra.

Durante una operación normal, el reactor de neutro está prácticamente sin carga. En caso de una operación SPAR, este reactor se carga por un par de segundo, típicamente entre un 15% y un 25% del voltaje del sistema, dependiendo de los parámetros de la línea a la que los reactores shunt estén conectados. La potencia nominal de corto tiempo del reactor de neutro es sólo un porcentaje muy bajo de la potencia continua del reactor shunt.

Debido a las ventajas que presentan los reactores secos sobre los inmersos en aceite, prácticamente todos los reactores de neutro son del tipo seco, tanto para bancos de reactores shunt inmersos en aceite o tipo secos.

Maniobras para reactores shunt

Las maniobras para los reactores shunt son una de las tareas más severas para un interruptor de potencia. Como consecuencia al aplicar reactores shunt en alta tensión, ya sean tipo seco o inmerso en aceite, en conexión al terciario o directamente conectado, es extremadamente importante la selección del dispositivo de maniobra para asegurar que es capaz de manejar esta tarea. Se puede consultar la Guía IEEE Std. C37.015-2009: IEEE Guide for the Application of Shunt Reactor Switching para mayor información al respecto.

Figura 5 – Reactor de aterrizamiento de neutro tipo seco

X1: reactancia de secuencia positiva del reactor shunt

X0: reactancia de secuencia cero del reactor shunt

(incluido el reactor de neutro)

reactor shunt conectado en estrellacon neutro directamente aterrizado

X0 / X

1 ≤ 1

reactor shunt conectado en estrellaon neutro aterrizado por un reactor

X0 / X

1 > 1

Reactores shunt conectados en estrella con neutroaterrizado por medio de un reactor de neutro


Dimensiones Típicas para230 kV y 345 kV

Ejemplo: Reactor Shunt 230 kV, 50 MVAR

Ejemplo: Reactor Shunt 345 kV, 20 MVAR

Área: 18 m x 7 m

Área: 16.5 m x 10.5 m


1) embobinado

2) conductor

3) estructura (araña)

4) terminal

5) espaciador

6) aislador

7) soporte de montaje

Un reactor tipo seco con núcleo en aire consiste de arrollamientos cilíndricos (1) hechos de una o varias capas concéntricas de conductores de aluminio asilados entre sí por cinta y fibra (2). Todas estas capas están eléctricamente conectadas entre sí en paralelo por medio de soldadura en la parte superior e inferior de los brazos metálicos de la estructura, comúnmente conocida como araña (3). Cada estructura o araña, tiene una terminal (4) para la conexión eléctrica del reactor. Las capas individuales son configuradas de tal forma que el esfuerzo radial de voltaje es virtualmente nulo y el esfuerzo de voltaje axial remanente produce un esfuerzo en la superficie con valores menores a los que se encuentran en los aisladores de porcelana y voltajes de operación en estado estable entre vueltas con

valores muy por debajo del nivel de descargas parciales. Todas las capas son espaciadas de forma radial por medio de separadores de fibra de vidrio (5) los cuales forman los ductos necesarios para el flujo de aire y el enfriamiento de la bobina por convección natural del aire en el medio ambiente, el cuál entra por la parte inferior y sale por la parte superior.

El arrollamiento es impregnado por una resina epóxica, la cual después del tiempo de curación es mecánicamente resistente y compacta. Los reactores se montan sobre varios aisladores de soporte (6) y soportes metálicos adicionales (7).

Apéndice – Detalles de diseño de latecnología de reactores secos con núcleo en aire de Trench

La siguiente figura ilustra el diseño conceptual de los reactores tipo seco con núcleo en aire de Trench.

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