Los problemas con la ferroresonancia se han vuelto cada vez más comunes debido al avance de la electrónica de potencia en la red, la asociación de secciones de cables blindados con efecto capacitivo y las faltas de alta impedancia.
Sin embargo, este no es un problema nuevo, ya que los efectos transitorios en partes del sistema pueden inducir a los transformadores de potencial inductivo a operar en régimen de ferroresonancia debido a variaciones de frecuencia en las señales de voltaje, inserción de armónicos y desequilibrios causados por faltas.
Para entender las fallas, cuyo origen implica inyecciones de armónicos en frecuencias fuera de la industrial, todos los componentes deben ser modelados para simulaciones en el dominio del tiempo que también sean representativas en el dominio de la frecuencia. Con el fin de garantizar una respuesta confiable durante la simulación y, en consecuencia, la instalación final.
Por ejemplo, representar el transformador en régimen transitorio en el dominio del tiempo con representación de frecuencia de banda ancha se vuelve extremadamente engorroso y aún puede presentar errores muy grandes para este tipo de modelado, desacreditando todo el esfuerzo empleado.
Por lo tanto, el análisis en el dominio de la frecuencia no solo se vuelve más confiable, sino también:
Eficiente;
Adecuado para el estudio de respuesta en frecuencia;
En simulaciones que involucran otros componentes armónicos.
En este artículo, se presentará una forma de mapear las condiciones para que un transformador de potencial inductivo (TPI), especialmente aquellos de clase 36 kV, pueda operar en la condición de ferroresonancia y cómo es posible evitar que el equipo entre en colapso térmico y eléctrico en caso de este evento.
La forma más ágil de mapear el TPI es definir:
Función de transferencia
Respuesta en frecuencia,
Capacitancias intrínsecas de la bobina y
Comportamiento durante la inyección de armónicos.
Función de Transferencia
La función de transferencia es la herramienta matemática que permite el análisis de la respuesta en frecuencia, ya que es a partir de este artefacto matemático que es posible realizar la construcción del diagrama de Bode, que muestra dónde ocurre la frecuencia natural de resonancia del TPI.
Una observación importante es que, para comprender mejor cuál es la frecuencia natural de resonancia de un equipo, se sugiere al lector leer el artículo Impacto de los Armónicos en la Ferroresonancia.
Conocer la Firma del Transformador a Través de la Técnica de SFRA
El análisis de respuesta en frecuencia es un conjunto de valores obtenidos a partir de la inserción de una señal de voltaje de baja amplitud y frecuencia pura (en el caso de una señal senoidal) y la medición de la señal en la salida del transformador que, en el caso ideal, también es senoidal, de la misma frecuencia y cuya amplitud y fase pueden cambiar. Este mapeo se llama "firma del transformador".
La firma del transformador permite mapear, de manera práctica, la frecuencia natural de resonancia del equipo, que generalmente se puede hacer con equipos como un Sweeper, que se basa en el proceso de escaneo de un rango de frecuencias conocido como SFRA (Sweep Frequency Response Analysis).
Se sugiere al lector que lea la tesis de maestría de GuilhermeFerraz, Propuesta de un Modelo de Circuito Equivalente para Representación en Banda Ancha de Transformadores de Distribución, donde el lector puede encontrar este tema con mayor detalle y explicaciones más profundas de esta técnica.
Análisis de las Capacitancias del TPI
Por definición, la resonancia ocurre cuando la reactancia capacitiva y la reactancia inductiva de un circuito se anulan.
A partir de esta definición, debido al aislamiento de los TPI, surgen capacitancias parásitas en el equipo, que, cuando están mal ajustadas, pueden hacer que el transformador tenga una frecuencia natural de resonancia muy baja, lo que puede exponer el equipo en redes con altos niveles de distorsiones armónicas, como en parques eólicos y unidades fotovoltaicas.
A partir de esto, se deben encontrar formas en la geometría del devanado para distribuir el gradiente de voltaje lo más uniformemente posible para que los transitorios internos de alta frecuencia se atenúen, y también para que las capacitancias parásitas del primario sean lo más pequeñas posible.
*Enrollado para una bobina
*Enrollado para dos bobinas
Después de estudiar las capacitancias de los TPI, se debe analizar la cantidad de hilos en el devanado para que la frecuencia natural de resonancia se pueda ajustar lo más alto posible para garantizar que la componente armónica que acomoda esta frecuencia sea lo más alta posible. Sin embargo, se debe prestar atención a la precisión del equipo, ya que el número de vueltas puede comprometer la precisión en la medición de los TPI.
Analizar Qué Componente Armónica Acomoda la Frecuencia Natural de Resonancia del TPI
A partir de una señal senoidal totalmente distorsionada, es posible utilizar filtros armónicos basados en la serie de Fourier, que determinan las componentes armónicas que componen la señal en cuestión.
Los equipos de medición de voltaje y corriente presentan solo la forma de onda final de la suma de estas componentes, sin embargo, los watímetros, por ejemplo, pueden presentar un espectro de muestra de las distorsiones armónicas y cuál es su porcentaje en la señal medida.
Para ejemplificar esto, si un equipo tiene su frecuencia natural de resonancia a 300 Hz, al utilizar un watímetro para analizar la calidad de la energía en un sistema dado, se debe observar si no hay excesos de tensiones de 5° armónico en la red, ya que esta es la componente que acomoda la frecuencia natural de resonancia del TPI en estudio.
*Ejemplo de Respuesta en Frecuencia de un TPI
En el próximo artículo, discutiremos cómo los TPI y los TC no ajustados para el dominio de la frecuencia influyen en los análisis de componentes armónicas e incluso en el funcionamiento de los relés de protección. Por último, es indispensable mencionar que este artículo fue escrito con importantes contribuciones del mencionado Guilherme Ferraz, CEO en HVEX, y Fernando Ribeiro, Gerente de Ingeniería en la empresa Brasformer Braspel Produtos Elétricos LTDA, quienes compartieron parte de su experiencia en el campo y en el desarrollo de proyectos de Transformadores de Potencial Inductivo para la clase de tensión de 36 kV.