Resonancia Subsíncrona

El IEEE la define como: Una condición del Sistema Eléctrico de Potencia donde la red eléctrica intercambia energía con un sistema turbina-generador en una o más frecuencias naturales del sistema por debajo de la frecuencia de sincronismo del sistema [26].

La figura 1.8 muestra el sistema para explicar el concepto de la Resonancia Subsíncrona.

Fig. 1.8. SEP en estado resonante.

Donde:

M1, D1, es el momento de inercia del sistema multimasas y de la constante de

amortiguamiento del mismo, respectivamente.

K12, D12, es la constante de elasticidad y de amortiguamiento de la flecha entre la turbina y

el generador, respectivamente.

M2, D2, es el momento de inercia del sistema de generación y de la constante de

amortiguamiento del mismo, respectivamente.

RE, XE, es la resistencia y reactancia característica de la línea de transmisión

respectivamente.

XC es el valor de la reactancia dentro de la compensación serie.

X’’ es el valor de la reactancia subtransitoria

XT es el valor de reactancia del transformador

La frecuencia eléctrica natural se calcula con reactancias definidas a la frecuencia eléctrica que corresponde a la velocidad promedio del rotor. Como se muestra en la ecuación (1.7).

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El sistema de transmisión con compensación en serie resulta más complejo y puede presentar más de una frecuencia natural. Los términos subsíncronos y supersíncronos denotan frecuencias menores y mayores correspondientes a la velocidad promedio del rotor

(f0), (fer) denotan las frecuencias subsíncronas naturales del sistema [27].

1.3.2.1 Fenómenos asociados a la Resonancia Subsíncrona

La presencia de Resonancia Subsíncrona en un Sistema Eléctrico de Potencia con compensación serie desencadena la presencia de diferentes fenómenos en el sistema, como son: Efecto Generador de Inducción, Interacción Torsional, Pares Eléctricos Transitorios.

1.3.2.2 Fenómeno Generador de Inducción

La excitación propia del sistema compensado con capacitores solamente es causada por el efecto generador de inducción, suponiendo constante la velocidad del rotor, esto es, el rotor gira más rápidamente que el campo magnético rotatorio de las corrientes subtransitorias de la armadura, la resistencia del rotor para corrientes subsíncronas vista desde las terminales de la armadura resulta negativa, y cuando esta resistencia excede la suma de las corrientes de armadura y de la red, obteniendo con esto la autoexcitación del generador, propiciando con esto voltajes y corrientes excesivas [27].

1.3.2.3 Interacción Torsional

Al intercambio de energía entre el sistema mecánico (turbina-generador) y la red eléctrica compensada con capacitores se le denomina interacción torsional. Señales distorsionadas de cualquier magnitud en el SEP producen excitación de todos los modos en los sistemas eléctrico y mecánico, el eje del turbogenerador responde a estas con oscilaciones. Al igual que el sistema eléctrico, el sistema mecánico real es multimodal y tiene más de una frecuencia natural [27].

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Las oscilaciones del rotor producen una modulación del voltaje generado. Teniendo , cuando la frecuencia se cierra a la frecuencia subsíncrona natural del sistema

(fer), las corrientes de armadura producen un campo magnético que está en fase para

producir un par que intensifica las oscilaciones en el rotor, siendo este fenómeno el de interacción torsional [27].

1.3.2.4 Pares Eléctricos Transitorios

Las maniobras en la red, como liberar alguna falla en el sistema, pueden provocar pares eléctricos transitorios que llevan a cambios repentinos en la red [28].

En un par eléctrico transitorio existen muchas componentes como pares oscilatorios de múltiples frecuencias [28] esto se ve reflejado en la corriente ya que al producirse el fenómeno de resonancia subsíncrona se presentan corrientes oscilando a diferentes frecuencias tanto por debajo de la frecuencia nominal como por arriba de ella y todas interaccionan con la frecuencia nominal lo que ocasiona disturbios en la corriente vistas como efectos armónicos de corriente.

En sistemas de transmisión sin compensación serie, los disturbios transitorios son de forma exponencial y su amortiguamiento depende de la relación reactancia-resistencia, sin embargo, al tener un fenómeno de resonancia la reactancia tiende a cero por lo que es mínimo o nulo el amortiguamiento en la red; en una red entre más capacitores en serie se tengan conectados al sistema se tendrán mayores frecuencias subsíncronas [28].

1.3.2.5 Diferentes Resonancias en los Sistemas Eléctricos de Potencia

Al hacer uso de diferentes compensadores en los Sistemas Eléctricos de Potencia podemos hacer uso de diversos medios de compensación en relación a la forma de hacer la conexión de los compensadores en el sistema, ya que podemos encontrar el conectar los capacitores compensadores en serie para interaccionar directamente con el efecto inductivo de las líneas, capacitores compensadores en paralelo que permiten cambiar la impedancia

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equivalente de la carga, reactores en paralelo para evitar el uso de capacitores y de esta forma hacer una compensación mediante un reactor sin aumentar el efecto capacitivo en la línea [29].

1.3.2.5.1 Resonancia Producida por Reactor en Paralelo

Es común encontrar instalados reactores en derivación (paralelos) en puntos seleccionados de la red. Los inductores absorben la potencia reactiva y reducen sobretensiones en condiciones de carga ligera. También reducen las sobretensiones transitorias debidas a las maniobras de interruptores y a la caída de rayos, sin embargo, los reactores en derivación pueden reducir la capacidad de carga si no se desconectan en condiciones de plena carga [30].

El conectar reactores en paralelo en la red produce un amortiguamiento bajo ya que las pérdidas son suministradas principalmente por la resistencia de la línea y el reactor [30] lo que hace poco eficiente el uso de los mismos para obtener una compensación de potencia de la red.

1.3.2.5.2 Resonancia Producida por Capacitor en Paralelo

Esta resonancia es frecuentemente cercana a 90 Hz, pero puede ser substancialmente más baja durante oscilaciones donde los compensadores estáticos de VARS están cerca de la capacitancia total [31].

1.3.2.5.3 Resonancia Producida por Capacitor en Serie

Para la compensación de las líneas también es común encontrar bancos de capacitores en serie con cada conductor de fase en puntos seleccionados de la línea, su efecto es reducir la impedancia neta disminuyendo de este modo las caídas de tensión en la línea y aumentando el límite de estabilidad en estado estacionario [32].

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Una desventaja de los bancos de capacitores serie es que es necesario instalar dispositivos automáticos de protección para desviar las altas corrientes durante la falla y volver a insertar los capacitores una vez eliminada esta [32], sin embargo a pesar de esta desventaja el colocar capacitores en serie no solo ayuda a la compensación de las líneas sino que también aumenta la capacidad de las líneas largas.

1.4Ferroresonancia

El fenómeno de la ferroresonancia, también llamado salto resonante y operación multimodal, cuando se presenta en los Sistemas Eléctricos de Potencia proviene de una clase de resonancia específica que involucra las inductancias con núcleo magnético, siendo un circuito RLC con un inductor no lineal que a diferencia de un circuito RLC lineal se manifiesta con un fenómeno de salto que se presenta al modificarse la magnitud o frecuencia de la tensión aplicada, o al variar la magnitud de algunos parámetros del sistema, esto es, que la respuesta del circuito cambia súbitamente de un punto de operación con ciertas características a otro punto con distintas características [33].

El fenómeno puede mayormente ocurrir cuando un transformador que se encuentra en servicio sin carga queda conectado a conductores subterráneos, siendo la reactancia de magnetización de los transformadores la que aumenta con la tensión de servicio, es así que las consecuencias por ferroresonancia son más importantes a mayor nivel de tensión.