ANÁLISIS DE UN CASO DE RESONANCIA A FRECUENCIA INDUSTRIAL EN EL SISTEMA ELÉCTRICO PERUANO

1. INTRODUCCIÓN

Los componentes eléctricos de un sistema de potencia al estar conformados por elementos resistivos, inductivos y capacitivos, en algunas condiciones particulares de su operación o de su configuración eléctrica, pueden constituir circuitos resonantes. Cuando el sistema ya está en operación y ocurren fallas en los equipos, es necesario adoptar algunas medidas correctivas para evitar que el problema de resonancia se manifieste con consecuencias desastrosas. Las resonancias pueden envolver las conexiones de componentes inductivos y capacitivos en serie o en paralelo, siendo los valores máximos de las sobretensiones y sobrecorrientes limitados solamente por las resistencias de los componentes.Las configuraciones clásicas donde las resonancias ocurren con mayor facilidad son los circuitos de los servicios auxiliares que utilizan fusibles en la protección contra cortocircuitos y donde hay cables subterráneos y transformadores con neutro aislado. Los transformadores de tensión también pueden formar parte de un circuito resonante, con las capacitancias a través de los contactos del interruptor completando el camino de resonancia. Las instalaciones de los compensadores estáticos, donde hay filtros conectados en el lado de baja tensión del transformador principal, son circuitos propicios para la aparición de resonancias. Generalmente los fabricantes procuran evitar este tipo de problemas, utilizando un interruptor o un seccionador especial para la energización de los filtros, el cual es maniobrado solamente después de transcurrido un tiempo suficientemente largo para el amortiguamiento de los transitorios debidos a la energización del transformador.

2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELECTRICO PERUANO

En el año 1980 el área aislada centro se interconectó con el área norte a través de una línea de 160 km en el nivel de 220 kV que unió las subestaciones de Zapallal y Paramonga Nueva (L-212), además para el control de tensión se instaló un reactor de 40 MVAr 2 / 10 en el nivel de 220 kV en ésta última subestación. Luego en 1997 entró en operación la central térmica de Aguaytía (160 MW), la cual se conectaba a la S.E. Paramonga Nueva a través de una línea de 392 km en 220 kV, ésta línea en su paso por la S.E. Tingo María se interconectó a las líneas de 138 kV mediante un autotransformador de 50 MVA, formando una configuración cerrada que se llamó “Anillo de Tingo María”. El tramo de línea Tingo María-Paramonga Nueva por ser de 318 km, tenía su propia compensación reactiva al estar conectado un reactor de 30 MVAr en lado de la S.E. Tingo María, de manera que al conectarse en vacío desde el lado de la S.E. Paramonga Nueva se energizaría línea – reactor juntos para evitar sobretensiones que afecten al sistema, tal como se observará en la figura Nº 2.2. REGION CENTRO S.E. MANTARO S.E. ZAPALLAL S.E. PARAMONGA NUEVA REGION NORTHERN S.E. TINGO MARIA REGION CENTRO S.E. MANTARO S.E. ZAPALLAL S.E. PARAMONGA NUEVA REGION NORTHERN S.E. TINGO MARIA Figura Nº 2.2 Ingreso de la C.T. Aguaytía y formación del “Anillo de Tingo María”. En

Setiembre del 2000 se interconectó el área sur al sistema centro-norte mediante una línea de 610 km, con compensación serie a doble terna en 220 kV. Posteriormente, en el año 2001 en el anillo de Tingo María entró a operar el centro minero Antamina (80 MW) conectado aproximadamente a la mitad la línea Tingo María-Paramonga Nueva dividiéndola en dos tramos, mediante la S.E. Vizcarra en 220 kV de configuración en anillo y con un SVC de +90MVAr y –45MV. Este cambio mejoró el desempeño dinámico del área; sin embargo, dio origen a problemas de fenómenos transitorios electromagnéticos ante algunas configuraciones especiales de la red. REGION CENTRO – SOUTHERN S.E. MANTARO S.E. ZAPALLAL S.E. PARAMONGA NUEVA REGION NORTHERN S.E. TINGO MARIA SVC REGION CENTRO – SOUTHERN S.E. MANTARO S.E. ZAPALLAL S.E. PARAMONGA NUEVA REGION NORTHERN S.E. TINGO MARIA SVC . Ingreso del Centro Minero en 220 kV, del “Anillo de Tingo María”. Con la evolución y cambios en las redes, se formó el sistema eléctrico interconectado nacional. Siendo, la principal característica de ser muy radial y tener la carga concentrada en el centro del sistema (Lima); así también, tener centrales de generación predominantemente hidráulicas muy apartadas de la carga, e interconectadas por líneas muy largas. Sistema Interconectado Peruano. Esta última característica propició que las centrales de generación, observen en bornes de máquinas impedancias externas equivalentes de valores entre Anillo de Tingo María REGION CENTRO S.E. MANTARO S.E. ZAPALLAL S.E. PARAMONGA NUEVA REGION NORTHERN REGION CENTRO S.E. MANTARO S.E. ZAPALLAL S.E. PARAMONGA NUEVA REGION NORTHERN 3 / 10 0.3 a 0.6 pu, lo que le da un comportamiento dinámico muy débil. En el periodo de mínima demanda, el sistema presenta en algunas áreas operativas (norte y sur), déficit de compensación reactiva inductiva manifestándose mediante tensiones elevadas de operación; mientras que, en periodo de máxima demanda otras áreas (Lima) presentan déficit de compensación reactiva capacitiva, manifestándose por muy bajas tensiones de operación. En consecuencia, el sistema eléctrico peruano presenta zonas críticas en los cuales se evidencias problemas dinámicos y transitorios electromagnéticos como la resonancia y ferrorresonancia.

3. FENÓMENO DE RESONANCIA

3.1 IntroducciónLas inductancias y capacitancias de los componentes de un sistema eléctrico pueden constituir un circuito resonante en función de sus condiciones particulares de operación o de su configuración. Generalmente los sistemas son proyectados de forma de evitar éstas situaciones anormales, Ante esta problemática en que los equipos ya fueron especificados, es necesario adoptar medidas correctivas que eviten el daño en los equipos. Cuando se produce una resonancia entre los componentes inductivos y capacitivos de una instalación, los valores máximos de sobretensión y corriente sólo están limitados por las resistencias de los componentes de la red.

3.2 Circuitos ResonantesLos componentes que conforman una red eléctrica como: generadores, transformadores, líneas de transmisión, cables de energía, condensadores,

reactores, pueden conectarse formando configuraciones en los que, sus parámetros como la reactancia inductiva y reactancia capacitiva, a una determinada frecuencia de operación ó falla se acoplen magnéticamente anulándose, con lo cual el circuito se comporta en forma resistiva. Las configuraciones clásicas donde se pueden ocurrir con mayor facilidad los casos de resonancia son: • Los Circuitos de Servicios Auxiliares ó Distribución. • En Líneas de Transmisión Paralelas con Compensación Shunt. • Transformadores de tensión. • Energización de grandes Transformadores.

3.3 Respuesta en FrecuenciaLos sistemas eléctricos de potencia son estudiados mediante modelos matemáticos que tratan de representar los fenómenos reales que ocurren en las condiciones de operación y fallas.

3.4 Tipos de ResonanciaResonancia en Serie.Resonancia en Paralelo

4. CASO DE RESONANCIA 5. En el Sistema Eléctrico Interconectado Peruano, se presentó un caso de

Resonancia a frecuencia industrial (60Hz), el cual ocurrió el 23 de diciembre del 2001 a las 10:23 horas en el área del sistema llamado “Anillo de Tingo María”; al quedar en una configuración muy radial con líneas de 220 kV descargadas, por alimentar una pequeña carga (18 MW).

6. PEGAR IMÁGENES

7. CONCLUSIONES. Las diferentes configuraciones que puede adoptar un sistema de potencia

que enlacen elementos de compensación reactiva inductiva y capacitiva, pueden configurar circuitos resonantes cercanos a la frecuencia de operación del sistema.

Los fenómenos de resonancia en los sistemas de potencia pueden ser estudiados mediante un análisis de la “Impedancia Armónica”, evaluado para diferentes configuraciones más probables.

Los fenómenos de resonancia, se evidencian por el incremento súbito de tensión que se mantiene dentro de un proceso oscilante; el mismo que puede ser controlado con una estrategia de protección de sobretensiones, que desconecte equipos que modifiquen los parámetros para sacarlo del punto de resonancia.

Las líneas de transmisión que tengan compensación reactiva inductiva shunt en el extremo, ó líneas que posean compensación serie, es necesario realizar un estudio resonancia para determinar las configuraciones y frecuencias peligrosas para la operación del sistema.