Reguladores y Capacitores
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Reguladores de voltaje Regulador de tensión.- Es un autotransformador en el cual los devanados primario y secundario están acoplados magnética y eléctricamente y su función consiste en regular la tensión al valor previamente deseado. Autoelevador de tensión.- Equipo con diseño similar al del regulador de tensión, pero su función consiste exclusivamente en elevar la tensión de salida. Equipo eléctrico cuya función primordial consiste en neutralizar las variaciones de voltaje que se producen en la red de transmisión y compensar en parte las variaciones de voltaje que se produce en el sistema de distribución. Mantiene el valor del voltaje ± 5% Un regulador de voltaje es básicamente un autotransformador de distribución equipado con un cambiador de derivaciones bajo carga que cambia su relación de transformación de manera automática para mantener un valor de voltaje constante en el lado de carga independiente de valor de voltaje que recibe en el lado fuente. Usualmente se suministra con 32 derivaciones o pasos, 16 hacia arriba y 16 hacia abajo del valor del voltaje nominal con una variación de 5/8% entre cada paso para disponer de un valor de regulación total del 10%. En la figura siguiente se muestra un regulador de voltaje. Partes de un regulador de voltaje
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Reguladores de voltaje
Regulador de tensión.- Es un autotransformador en el cual los devanados primario
y secundario están acoplados magnética y eléctricamente y su función consiste en
regular la tensión al valor previamente deseado.
Autoelevador de tensión.- Equipo con diseño similar al del regulador de tensión,
pero su función consiste exclusivamente en elevar la tensión de salida.
Equipo eléctrico cuya función primordial consiste en neutralizar las variaciones de
voltaje que se producen en la red de transmisión y compensar en parte las
variaciones de voltaje que se produce en el sistema de distribución. Mantiene el
valor del voltaje ± 5%
Un regulador de voltaje es básicamente un autotransformador de distribución
equipado con un cambiador de derivaciones bajo carga que cambia su relación de
transformación de manera automática para mantener un valor de voltaje constante
en el lado de carga independiente de valor de voltaje que recibe en el lado fuente.
Usualmente se suministra con 32 derivaciones o pasos, 16 hacia arriba y 16 hacia
abajo del valor del voltaje nominal con una variación de 5/8% entre cada paso
para disponer de un valor de regulación total del 10%. En la figura siguiente se
muestra un regulador de voltaje.
Partes de un regulador de voltaje
Diagrama esquemático de un regulador de voltaje
SECUENCIA DE CAMBIO DE DERIVACIONES
Diagrama de un regulador de voltaje
Secuencia de cambio de derivaciones
contactos móviles
contactos fijos
De
va
na
do
de
excitació
n
Voltaje
de
fu
ente
Voltaje
de
ca
rga
1 2 3 4
Devanados serie
contactos fijos
1 2 1 2 1 2
1 2 1 2
Contacto fijo
Autotransformador preventivo
Contactos móvil
Localización de los bancos de reguladores de voltaje
Los bancos de reguladores de voltaje se deben instalar en el nodo donde se
registre una caída de voltaje de 6% para asegurar un voltaje de suministro
adecuado a todos los usuarios conectados a la red. Para ello deberá realizarse un
estudio de regulación de voltaje para condiciones de demanda máxima y donde
se presentan una caída de voltaje de 6% deberá localizarse un banco de
reguladores de voltaje, mismo que permitirá elevar el nivel de voltaje al máximo
admisible. A partir de este nodo, volverá analizarse el comportamiento de la caída
de voltaje y donde nuevamente se registre un valor del 6% se instalará un
segundo banco y así de manera sucesiva.
Donde se instalan los reguladores de voltaje
Subestaciones eléctricas
Circuitos de distribución
Subestaciones y circuitos de distribución Reguladores instalados en la subestación.
En la siguiente figura se observa las curvas de variación de voltaje sin reguladores
y con reguladores instalados en la subestación.
Curvas de variación de voltaje con y sin reguladores de voltaje
1L. Variación de voltaje con carga ligera, (sin regulador)
1P. Variación de voltaje con carga pesada, (sin regulador)
2L. Variación de voltaje con carga ligera, ( con regulador en la subestación)
2P. Variación de voltaje con carga pesada, ( con regulador en la subestación)
3. Caída de voltaje en el nacimiento del circuito, (sin regulador en la subestación)
4 .Caída de voltaje en el nacimiento del circuito, (con regulador en la subestación)
Reguladores instalados en el circuito primario
Esta solución se emplea en circuitos primarios largos, donde los reguladores en la
subestación no resolverían el problema de regulación.
Reguladores en la subestación y en el circuito primario.
A esta solución se recurre cuando la regulación del circuito no es buena, aun
teniendo el regulador instalado en la subestación, como se muestra en la figura
siguiente, con la curva 1L y 1P.
Curvas de variación de voltaje con y sin reguladores de voltaje en la
subestación y un circuito primario.
1L Variación de voltaje con carga ligera y regulación en la subestación
1P Variación de voltaje con carga pesada y regulador en la subestación
2L Variación de voltaje con carga ligera, en el tramo A-B del circuito
2P Variación de voltaje con carga pesada, en el tramo A-B del circuito
3L Variación de voltaje con carga ligera, en el tramo B-C.
3P Variación de voltaje con carga pesada en el tramo B-C.
Selección de los reguladores de voltaje
Para selección de los reguladores de voltaje deberán tomarse en consideración
los siguientes factores:
a) Voltaje de operación
b) Corriente de carga en amperes
c) Por ciento de regulación
d) Capacidad en KVA
e) Número de fases
f) Número de pasos
g) Nivel básico de aislamiento
h) Forma de montaje
Tipos de reguladores de voltaje
a) Reguladores de inducción
Función y conexión del regulador de inducción, es ajustar el voltaje a un
valor determinado para el circuito, de manera gradual y continua, es decir
sin provocar interrupción en el circuito.
El regulador de inducción tiene un bobinado primario (1) que se conecta en
paralelo y otro bobinado secundario (2) que se conecta en serie, como se
ilustra en la figura.
Mediante la variación de la posición del rotor, se realiza la regulación de
voltaje en este tipo de regulador, consiguiéndose que el voltaje de “salida”
pueda ponerse en fase con el voltaje “entrada”, originando así un aumento
de voltaje. Si el voltaje de “salida” se pone en oposición con el voltaje de
“entrada”, se origina una disminución de voltaje.
La variación de la posición del rotor se consigue mediante un motor que gira
en un sentido para aumentar voltaje o en el otro sentido para disminuir el
voltaje; siempre recibiendo la señal de un relevador. Los reguladores de
inducción, se construyen para regular un 10% del voltaje como máximo, son
generalmente monofásicos, pero se conectan entre sí para formar
reguladores trifásicos.
b) Reguladores de paso
Este tipo de reguladores trabajan básicamente como los “Taps” de un
transformador de distribución, pero con carga, los hay de operación manual
y también de operación automática; desde luego tienen su equipo de
conmutación para variar la regulación de transformación, bajando o
subiendo el voltaje según se necesite, se muestra en la siguiente.
Regulador de inducción
El control automático en estos reguladores va previsto de un dispositivo de
retardo de tiempo, para limitar la operación del regulador a solamente
aquellas variaciones de voltaje que se mantengan por encima de un tiempo
determinado, a largando así la vida del regulador sin afectar la calidad del
servicio.
Actualmente se construyen los reguladores de paso, desde 2.4 KV hasta 69
KV en unidades monofásicas y trifásicas y para los rangos de regulación
siguientes:
I. De 32 pasos, que regulen un 10% arriba ó abajo
II. De 16 pasos, que regulen un 7.5% arriba ó abajo
III. De 8 pasos, que regulen un 5% arriba ó abajo
Para reducir la desviación típica del voltaje es necesario usar reguladores
automáticos de voltaje.
Los reguladores automáticos de voltaje utilizados en los sistemas en los sistemas
de distribución se colocan generalmente en las subestaciones de distribución,
Regulador de paso
aunque pueden instalarse también en algún punto de los alimentadores primarios,
y tienen por objeto: “neutralizar las variaciones de voltaje que se producen en la
red de transmisión y compensar en parte las variaciones de voltaje que se
producen en el sistema de distribución”.
Los reguladores automáticos de voltaje pueden consistir en:
I. Transformadores con cambio automático de derivación bajo carga.-
que mantienen el voltaje de las barras colectoras de la subestación
al voltaje deseado.
II. Reguladores de voltaje individuales para cada alimentador que sale
de la subestación, o bien comunes a un grupo de alimentadores.
Los reguladores están diseñados para resistir 25 veces la corriente nominal por un
período de 2 segundos y 40 veces por un período de 0.8 segundos en corriente
nominal, en caso de tener mayores valores de cortocircuito será indispensable
instalarle reactores o en su defecto cambiar los reguladores por otros de mayor
capacidad.
La duración de la corriente de corta duración que soporta un regulador sin dañarse
varía al cambiar el rango de regulación de acuerdo a la siguiente tabla
Sin embargo es de suma importancia el conocer el nivel máximo de corto circuito
monofásico y trifásico que podrá originarse en el punto de instalación ya que en
gran medida la selección de la capacidad de regulador será en base al nivel de
corto circuito.
Tabla de Duración de la corriente de corta duración
RANGO DE
REGULACIÓN EN
PORCIENTO
CAPACIDAD DE
CORRIENTE EN
PORCIENTO
TIEMPO EN SEGUNDOS
QUE SOPORTA 25 VECES
LA CORRIENTE
NOMINAL
TIEMPO EN SEGUNDOS
QUE SOPORTA 40 VECES
LA CORRIENTE
NOMINAL.
10.00 100 2.0 0.8
8.75 110 1.7 0.6
7.50 120 1.4 0.5
6.25 135 1.1 0.4
5.00 160 0.8 0.3
Por lo anterior los interruptores o restauradores del circuito donde se instalen los
reguladores, deben estar coordinados en tal forma que desconecten el circuito en
un tiempo menor que los mencionados.
Tipos de conexiones
CONEXIÓN DEL SISTEMA
CONEXIÓN DE REGULADORES
REGULACIÓN DEL SISTEMA
3F-4H Multiaterrizado 3 Unidades en estrella 10% de regulación
3 Unidades en delta cerrada
15% de regulación
3F-3H con neutro sólidamente conectado en la subestación
3 Unidades en estrella 10% de regulación
2 Unidades en delta abierta 10% de regulación
3 Unidades en delta cerrada
15% de regulación
Tipos de conexiones de reguladores
REGULACIÓN DE
0 A 10%
SL S
TENSIÓN DEL SISTEMA
S
SL
L
A
N
FUENTE
CUCHILLA DE PUNTEO
UN REGULADOR
CARGA
L
Conexión de un regulador
REGULACIÓN DE
0 A 10%
S
TENSIÓN DEL SISTEMA
S
SL
L
B
C
FUENTECUCHILLA DE PUNTEO
DOS REGULADORES EN DELTA
CARGA
S
SL
L
A
C
B
A
S
LREGULACIÓN 9%
TENSIÓN DEL SISTEMA
70%
3%
Conexión de dos reguladores en delta
REGULACIÓN DE
0 A 10%
S
SL
L
B
C
FUENTECUCHILLA DE PUNTEO
TRES REGULADORES EN DELTA
CARGA
S
SL
L
A
S
SL
L
C
B
ACUCHILLA DE PUNTEO
CUCHILLA DE PUNTEO
CUCHILLA
DESCONECTADORA
APARTARRAYOSAPARTARRAYOS
REGULACIÓN DE
0 A 9%
Conexión de tres reguladores en delta
El capacitor
El método utilizado para la generación de potencia reactiva (Potencia reactiva es
la utilizada para la generación de un campo eléctrico ó magnético en dispositivo
tales como, motores, transformadores y capacitores. Sus unidades son; Volts-
Amper (Var), en la gran mayoría de los servicios industriales y en los sistemas de
subtransmisión y distribución es por medio de los capacitores de potencia.
Los capacitores utilizados en los sistemas de energía eléctrica son condensadores
cuyas placas están constituidas generalmente por hojas de papel de aluminio y
cuyo dieléctrico consiste en varias capas de papel combinadas con capas de
materiales plásticos, impregnados con un líquido aislante. Las hojas de aluminio y
el material aislante se enrollan y después se comprimen para darles una forma
rectangular y se colocan en un recipiente metálico hermético, que se llena con el
líquido para impregnar el dieléctrico. Las conexiones exteriores se hacen a través
de dos boquillas aislantes.
El uso de capacitores para sistemas de potencia se inició hacia 1914. En los
primeros capacitores el dieléctrico estaba constituido por el papel impregnado con
A
S
SL
L
C
B
ACUCHILLA DE PUNTEO
CUCHILLA DE PUNTEO
CUCHILLA
DESCONECTADORA
APARTARRAYOSAPARTARRAYOS
REGULACIÓN DE 0 A 10%
NN
L L
L
S S
S
SL
SLSL
120
120 120
TENSIÓN DEL SISTEMA
S
SL
L
B
C
FUENTECUCHILLA DE PUNTEO
TRES REGULADORES EN DELTA
CARGA
S
SL
L
Conexión de tres reguladores en estrella
aceite mineral; la capacidad de cada unidad era del orden de 2.5 KVAR y se
fabrican únicamente para instalación interior. La introducción en 1931 de los
hidrocarburos aromáticos clorados (askareles) como impregnantes permitió
realizar unidades de 15 KVAR más confiables y con un costo unitario menor. 1937
se introdujeron los capacitores para instalación a la intemperie. La capacidad de
cada unidad fue aumentada hasta alcanzar 19 KVAR.
La introducción recientemente de dieléctricos plásticos combinados con el papel
kraft e impregnados con askarel, ha permitido realizar unidades más grandes, de
150 KVAR, 300 KVAR, más compactas y con menores pérdidas dieléctricas.
Actualmente se ha suspendido la utilización del askarel por no ser biodegradables
y se utilizan otros impregnantes que varían según los fabricantes. En la figura a
continuación se muestra un capacitor para sistemas de potencia típico.
Para obtener bancos de capacitores de la capacidad deseada se conectan en
párelo el número de capacitores necesario. Las capacidades unitarias disponibles
comercialmente para sistemas de distribución son las siguientes:
Unidades trifásicas: 300 KVAR
Unidades monofásicas : 50-100-150-200-300-400 KVAR
De estas unidades las más usuales son: 100-150-200-300 KVAR
Para limitar las corrientes de corto circuito en caso de falla en alguna unidad de un
banco de capacitores y evitar operaciones frecuentes de los fusibles de protección
durante fallas desbalanceadas en los circuitos de distribución, se ha normalizados
la utilización de la conexión en estrella con el neutro flotante, con lo cual un banco
de capacitores trifásicos queda como se muestra..
BOQUILLA
ASILANTE
CORTE MOSTRANDO LOS
CONDENSADORES
TANQUE DEL
CAPACITOR
Un capacitor para sistemas de potencia típico
Cuando la demanda de potencia reactiva es sensiblemente constante, se utilizan
bancos de capacitores fijos por su menor costo. Cuando la demanda de potencia
reactiva es variable se utilizan bancos de capacitores desconectables de un
costo mucho mayor por el costo adicional que representa el sistema de control y
principalmente por el costo propio del desconectador.
Para el control del flujo de la potencia reactiva en las redes de distribución se
utilizan combinaciones de banco de capacidades fijas para la demanda de
potencia reactiva constante y bancos de capacitores desconectables para la
demanda de potencia reactiva variable.
Capacidades normalizadas de bancos de capacitores en sistemas de distribución
a) Para circuitos de distribución
I. Bancos fijos: 300 KVAR y 600KVAR
II. Bancos desconectables: 900 KVAR y 1200KVAR
b) Para barras de baja tensión de las subestaciones de distribución
Se instalarán bancos desconectables con el control por voltaje de acuerdo
con la capacidad del transformador de potencia de la subestación como sigue:
CAPACIDAD DEL TRANSFORMADOR CAPACIDAD DEL BANCO DE CAPACITORES
7.5/9.375 MVA 1200 KVAR
12/16/20 1800 KVAR
18/24/30 2400 KVAR
24/32/40 3600 R
c) Barras de alta tensión de las subestaciones de distribución (115 KV). Se instalarán bancos de capacitores desconectables con control por voltaje
en las barras de 115 KV de las subestaciones de distribución. Estos
Tabla de Capacidades de los bancos de capacitores
B
C
A
Conexión en estrella con neutro flotante de un banco de capacitores
bancos se integran con las mismas unidades normalizadas con que se
integran los bancos de capacitores para circuitos de distribución de 13.2
KV. Únicamente se conforman los grupos serie—paralelo con el número
necesario de unidades en serie para dar el nivel de voltaje de (115/3) KV
por la conexión estrella y el número necesario de unidades en paralelo para
que en caso de falla de dos unidades de un mismo grupo, el desbalance del
voltaje en la fase respectiva sea inferior al 10%.
Con estas premisas y considerando que los bancos de capacitores se
integran con unidades monofásicas de 100 KVAR, 7.62 KV, el banco de
menor capacidad que puede integrarse para 115 KV es de 6500 KVAR. Las
siguientes capacidades normalizadas son 12000 KVAR, 15000 KVAR, 18
500 KVAR y 22500 KVAR.
La determinación de la capacidad del banco de capacitores a utilizar será
determinada por un estudio de flujos de la red donde se determine el valor
de potencia reactiva que sea consumida por la red en las condiciones más
desfavorables.
Para el caso de los bancos de capacitores instalados en las barras de 115
KV, estos se conectan en estrella con el neutro sólidamente aterrizado a la
malla de tierras de la subestación. Para evitar oscilaciones de voltaje en la
red derivadas de la circulación de las altas corrientes demandadas para
cargar las capacitancias en el momento de energizar este tipo de bancos de
capacitores, deben instalarse reactores limitadores de corriente que se
conectan en serie son el banco
Tipos de bancos de capacitores
Tipo poste
Potencia de 75 a 1200 KVAR
Voltaje de operación 13.2 a 34.5 KV
Capacitor tipo poste
Tipo piso
Potencia de 75 a 2700 KVAR
Voltaje de operación 13.8 a 34.5 KV
Subestación
Potencia de 1200 a 42000 KVAR
Voltaje de operación 23 a 170 KV
Tipos de conexión
Estrella con neutro flotante
Las conexiones en estrella y doble estrella con neutro flotante son las más
usuales y se utilizan en sistemas con neutro flotante o sólidamente
aterrizado.
Conexión doble estrella con neutro común
Conexión estrella con neutro flotante
Estrella con neutro sólidamente aterrizado.Las conexiones estrella y doble estrella con neutro sólidamente aterrizado se aplica solo en sistemas multi-aterrizados y en todos los niveles de tensión, pero es un camino o retorno para las armónicas.
Doble estrella
Delta.La conexión en delta se encuentra en sistemas de baja tensión y se determina generalmente por razones económicas.
Tipos de capacitores de potencia
Capacitor fusible externo
Capacitores fusible interno
Capacitor fusible externo
Capacitor fusible interno
Capacitores fusesless
Protección de bancos de capacitores
La protección contra sobretensiones de los bancos de capacitores instalados
sobre los circuitos de distribución se proporciona por medio de apartarrayos de
distribución instalados en la conexión del circuito al banco de manera similar a los
transformadores de distribución.
La protección contra sobre corriente de los bancos de capacitores instalados en
los circuitos de distribución y en la barras de baja tensión de las subestaciones de
distribución se proporciona por medio de cortacircuitos fusible tipo distribución. Los
elementos fusibles deben ser de los llamados de curva lenta (T ó N), para evitar
operaciones incorrectas por la circulación de corrientes armónicas durante fallas
desbalanceadas o por corrientes transitorias de energización.
Capacitor fusesless
