Por: Sultán de
Para garantizar la estabilidad de las redes eléctricas, los generadores eléctricos deben ser capaces de controlar la tensión de la red eléctrica conectada. El control de la tensión se realiza mediante la producción o absorción de potencia reactiva. El funcionamiento del generador en régimen inductivo (exportando potencia reactiva a la red conectada) está condicionado por los límites de la corriente de campo del rotor y de la corriente del estator; estos límites se establecen con el fin de no superar las temperaturas máximas admisibles.
El funcionamiento del generador en régimen capacitivo (importando potencia reactiva de la red conectada) está condicionado por límites teóricos representados por las curvas de estabilidad del generador, que están directamente relacionadas con el diseño de los generadores síncronos, que está limitado por la corriente de campo mínima. Los límites reales en régimen capacitivo están limitados por las pérdidas eléctricas suplementarias en la zona terminal del estator. Estas pérdidas eléctricas en la zona terminal se producen en los dientes frontales del estator, los primeros paquetes de láminas de núcleo laminado con escalones retraídos.
Experiencia de operación de generadores en regímenes sobre y subexcitados
Características de los generadores utilizados para el control de tensión
Todos los generadores deben participar en el control de tensión en las redes eléctricas a las que están conectados y, en consecuencia, operan en modos de sobreexcitación y subexcitación. Los rangos de potencias y tensiones nominales de los hidrogeneradores y turbogeneradores utilizados para el control de tensión están entre 5 y 1000 V.
600 MW, respectivamente entre 1 y 24 kV. Los límites de variación de la tensión nominal en los terminales son típicamente de 0,95 a 1,05 Un, de 0,925 a 1,025 Un o de 0,9 a 1,1 Un, dependiendo de los respectivos requisitos del código de red y/o diseños de generadores.
Capacidad de los generadores para operar continuamente en regímenes de sobreexcitación y subexcitación.
Según los códigos de red, los generadores, mientras generan a potencia de salida nominal, pueden operar de forma continua y en todo momento con límites de factor de potencia típicamente entre -0,85 y -0,95 adelantado, y entre 0,85 a 0,95 retrasado, donde los requisitos específicos dependen del tipo de generador y del país.
Uso de generadores para soporte de tensión en el sistema de transmisión
El funcionamiento en modo sobre y subexcitado tiene como consecuencia un mayor calentamiento de algunos elementos del generador.
En comparación con el funcionamiento en Q ≈ 0:
- Cuando se opera a P = Pn en régimen de sobreexcitación: Q = Qmax de retraso, el calentamiento del devanado del estator, del devanado del rotor y del núcleo del estator aumenta menos de 10 °C en la mayoría de los casos. Cuando se opera a P = Pn en régimen de subexcitación con Q = Qmax de adelanto, el calentamiento del devanado del estator y del núcleo del estator aumenta menos de 10 °C en la mayoría de los casos.
- En ambas situaciones hay casos en los que el calentamiento aumenta en más de 15°C: En algunos casos la potencia de salida del generador debe limitarse durante el funcionamiento en modos de sobreexcitación o subexcitación intensos.
El funcionamiento en línea a largo plazo en regímenes de sobreexcitación y subexcitación puede provocar daños a los generadores.
Durante el funcionamiento a largo plazo de un generador, tanto en modo sobreexcitado como subexcitado, pueden ocurrir algunos fenómenos indeseables, en particular debido al envejecimiento prematuro del aislamiento del estator y del rotor.
Herramientas de monitoreo para generadores que operan en regímenes de sobreexcitación y subexcitación
La monitorización de los generadores que funcionan en modo sobreexcitado y subexcitado se consigue mediante dispositivos o equipos clásicos como detectores de temperatura resistivos (RTD), termopares (TC) y recientemente también con el uso de detectores de temperatura de fibra óptica.
Implicaciones económicas de la operación sobreexcitada y subexcitada
Se estima que los costos adicionales por operar en modos sobre y subexcitados resultan en costos adicionales en la operación, así como costos de mantenimiento/reparación debido al envejecimiento prematuro del generador.
Implicaciones del funcionamiento sobreexcitado y subexcitado en el diseño de generadores
Los fabricantes de generadores síncronos se preocupan especialmente de la configuración de la zona final del núcleo del estator, con el fin de reducir el sobrecalentamiento de la zona respectiva (núcleo de hierro y aislamiento de las barras del estator).
Conclusión
Todas las centrales eléctricas deben participar en el control de tensión de las redes eléctricas a las que están conectadas y, en consecuencia, los generadores funcionan en modo sobreexcitado y subexcitado. El nivel máximo de potencia reactiva producida/absorbida a diferentes niveles de potencia de salida en los terminales del generador se controla mediante el diagrama de capacidad del generador, o el denominado diagrama PQ. El funcionamiento en modo sobreexcitado y subexcitado da como resultado, como consecuencia, un mayor calentamiento de algunos elementos del generador, es decir, los devanados del estator y del rotor, la zona final del núcleo del estator, etc. Durante el funcionamiento a largo plazo de un generador, tanto en modo sobreexcitado como subexcitado, pueden producirse algunos fenómenos indeseables, en particular debido al envejecimiento prematuro del aislamiento del estator y del rotor.
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