DryQ seco y silencioso

Transcripción

1 DryQ seco y silencioso Moderno condensador HVAC para las nuevas demandas de compensación de potencia reactiva Birger Drugge, Henning Fuhrmann, Sari Laihonen, Johan Mood Sería muy difícil compensar y filtrar la potencia reactiva si no dispusiéramos de condensadores. Los condensadores tradicionales de corriente continua y Alta Tensión utilizan aceite y, por tanto, pueden deteriorarse como consecuencia de las fugas, además de presentar riesgos de incendio y de carácter medioambiental. Para superar estos problemas, ABB ha desarrollado una nueva generación de condensadores que prescinden del aceite. Los nuevos condensadores DryQ están compuestos únicamente por componentes secos que mejoran las condiciones de seguridad y medioambientales. Su ingeniosa construcción los hace fácilmente adaptables para los diferentes niveles de tensión. Son esbeltos y ocupan poca superficie en planta, de modo que son ideales para espacios reducidos. Su forma permite combinarlos fácilmente en baterías de condensadores, reduciendo así al mínimo la necesidad de conexiones cruzadas. Además, son mucho más silenciosos que los condensadores convencionales. 17

2 El uso de la energía eléctrica está aumentando en todo el mundo. A medida que la electricidad llega a una mayor parte de la población mundial se necesitan nuevas inversiones en las redes eléctricas. El consumo de electricidad sigue aumentando incluso en los países industrializados que explotan hasta el límite sus redes de transmisión. Una compensación más eficaz de la potencia reactiva puede mejorar el factor de potencia de las redes y la utilización de las líneas existentes. Para reducir el impacto de las nuevas instalaciones se busca minimizar la superficie de suelo utilizada. Además se está prestando más atención a los aspectos medioambientales y a la seguridad: Molestará el ruido de la instalación a las viviendas cercanas? Existe riesgo de fugas de aceite y qué consecuencias tendrían las mismas? Puesto que no es posible eliminar por completo el riesgo de fugas en los condensadores de aceite, en las primeras fases del desarrollo del DryQ se decidió que el nuevo condensador debería ser de tipo seco y sostenible desde el punto de vista medioambiental. De húmedo a seco El diseño básico del condensador DryQ es similar al de su condensador hermano, el condensador HVDC de tipo seco lanzado en Elementos de película metalizada de polipropileno del condensador cilíndrico sustituyen a los elementos impregnados en líquido de los condensadores convencionales de Alta Tensión, que constan de electrodos de lámina metálica separados por una película aislante. Los electrodos del nuevo diseño se evaporan directamente sobre la película aislante, lo que simplifica la fabricación y además elimina el aceite aislante entre la lámina metálica y la película. Los condensadores DryQ tienen una envoltura polimérica tubular cuya longitud es proporcional a la tensión nominal del condensador. La envoltura se protege con recubrimientos de silicona, satisfaciendo así los requisitos climáticos y el aislamiento necesario para la aplicación. Las conexiones eléctricas del condensador DryQ están situadas en las partes superior e inferior del tubo. Los aisladores de entrada se integran en las tapas sin que se requieran aisladores pasantes separados. La consiguiente reducción de conexiones cruzadas hace muy cómoda su instalación 1. Condensadores de energía HVAC en la red: invisibles e importantes Los condensadores de energía son componentes pasivos muy importantes para las redes eléctricas. Producen energía reactiva (al contrario que otros componentes como convertidores estáticos, motores y líneas de transporte de energía, que consumen energía reactiva). En lugar de transportar energía reactiva a grandes distancias, reduciendo, por tanto, la capacidad de transmisión de las redes, se sitúan condensadores HVAC cerca de los elementos consumidores de energía reactiva, mejorando así la estabilidad de la red. Normalmente se utilizan baterías en derivación, es decir, condensadores conectados en paralelo con la red. La primera aplicación de los condensadores DryQ tiene lugar con baterías en paralelo para condiciones nominales de kv y MVAr. Además de producir energía reactiva, los condensadores de energía se pueden utilizar en combinación con las reactancias adecuadas para filtrar de la red las frecuencias no deseadas. Estos armónicos pueden estar causados por equipos controlados por tiristores, como pueden ser los convertidores de alta frecuencia para hornos, los hornos de arco eléctrico y las instalaciones de soldadura, los sistemas de accionamientos con regulación de velocidad y otros equipos. Si no se utilizan filtros, estos armónicos se transmiten a la red de suministro y provocan problemas a los propietarios de la red y a los consumidores de electricidad. Concretamente, las sobrecargas resultantes pueden originar averías, daños en el equipo eléctrico e incluso interferencias telefónicas. Los condensadores en serie constituyen otra aplicación de los condensadores HVAC. Su finalidad es mejorar la capacidad de transmisión de potencia de la línea reduciendo la reactancia y, por tanto, las pérdidas de transferencia. DryQ, semejante pero no idéntico a su hermano El modelo DryQ es en muchos aspectos similar a su modelo hermano, el condensador seco HVDC: ambos emplean película metalizada y tienen forma geométrica y encapsulado muy parecidos, pero también tienen diferencias significativas. 1 Comparación entre los típicos diseños de baterías de condensadores convencionales (a) y DryQ (b). 2 Recubrimiento patentado de Alta Tensión de DryQ con refrigeración optimizada. En la tapa superior, el terminal de Alta Tensión. 18

3 Una diferencia importante está en las pérdidas eléctricas. Los condensadores HVDC se utilizan en aquellos sistemas en que la conmutación de los semiconductores de potencia origina importantes corrientes a altas frecuencias. En este caso dominará la contribución resistiva a las pérdidas eléctricas. En los condensadores DryQ, toda la corriente, salvo una proporción insignificante, está a la frecuencia fundamental (50 ó 60 Hz). Este hecho permitió diseñar el condensador DryQ reduciendo al mínimo absoluto las pérdidas resistivas. En consecuencia, la mayor parte de las pérdidas en un condensador DryQ son dieléctricas, que es, por tanto, el parámetro dominante para el diseño térmico. Esta perspectiva significaba un reto adicional para los ingenieros e investigadores de ABB. Aunque las pérdidas dieléctricas del polipropileno son excepcionalmente bajas, era necesario determinarlas con precisión para películas de distintas calidades, una tarea nada sencilla, especialmente con intensidades y tensiones altas, dado que los niveles típicos de pérdidas son del orden de o menores. Para determinar estas pérdidas se desarrolló un método térmico y una nueva técnica eléctrica de alta precisión. De acuerdo con el método térmico, las pérdidas del condensador se calcularon a partir del calor producido en el devanado en condiciones nominales de operación. Para el método eléctrico se utilizó un nuevo convertidor de medida, sumamente preciso, para medir directamente los desplazamientos de fase entre intensidad y tensión. Los dos métodos mostraron ser coherentes entre sí. Aunque estos métodos de medición proporcionaron un control completo sobre la generación de calor, hubo que desarrollar, no obstante, un concepto de refrigeración adecuado. Con este fin, ABB desarrolló un diseño propio de recubrimiento de silicona que optimiza la refrigeración gracias a sus propiedades eléctricas 2. Estos ingeniosos recubrimientos amplían la variedad de ubicaciones posibles de DryQ, que puede instalarse en condiciones climáticas más exigentes. Finalmente, se simuló el efecto de la radiación solar sobre las baterías de condensadores en diferentes ubicaciones posibles en todo el mundo 3. Los cálculos se verificaron también con modelos de tamaño natural en cámara climática 4. Los resultados indican que, incluso en condiciones más duras que las reales, los condensadores DryQ operan de forma segura y dentro de los límites del diseño. Aislamiento exterior para instalaciones a la intemperie La envoltura del condensador DryQ es de material polimérico con la combinación adecuada de propiedades aislantes y mecánicas. Puesto que los aisladores de entrada están integrados en las tapas superior e inferior, el encapsulado proporciona la distancia de dispersión requerida entre los terminales eléctricos del condensador. Además, los recubrimientos ayudan a interrumpir las posibles vías de entrada de agua a lo largo de la envoltura en caso de lluvia intensa. La goma de silicona, muy común en muchas aplicaciones de aisladores compuestos, fue la elección más natural como material aislante de DryQ a la intemperie. Se consiguió diseñar un encapsulado fuerte pero ligero y se evitaron las paredes metálicas y los aisladores de porcelana. Con sus superficies hidrófobas permanentemente autorreparables, la goma de silicona proporciona una excelente protección exterior para el condensador durante toda su vida útil. Además, estas propiedades de autorreparación permiten ampliar el intervalo recomendado entre limpiezas. Reducción lenta y uniforme de la capacitancia gracias a la autorregeneración del dieléctrico Naturalmente, todos los materiales aislantes envejecen durante su vida útil y los dieléctricos de los condensadores no son una excepción. El envejecimiento puede originar una ruptura en el dieléctrico. Hay varias formas de tratar esta posible ruptura y el cortocircuito resultante entre electrodos. Una posibilidad es mante- 3 Simulación térmica, que comprende un día de funcionamiento del condensador DryQ en un punto situado a 62 de latitud. 4 Dos condensadores DryQ sometidos a pruebas térmicas en una cámara climática. Time: 3 (h) Time: 6 (h) Time: 9 (h) Time: 12 (h) Time: 15 (h) Time: 18 (h) Time: 21 (h) Time: 0 (h) Time: 3 (h) 19

4 5 Reparación en un electrodo de película metalizada en un condensador de tipo seco, vista con un microscopio electrónico de exploración. El orificio del centro ha sido causado por una pequeña descarga, que también ha evaporado ( eliminado ) el metal de alrededor. puede tener bajo control las perforaciones dieléctricas sin fusibles internos: la metalización se evapora alrededor de la perforación dieléctrica y aísla eficazmente el pequeño orificio del dieléctrico del resto del condensador 5. Éste es el llamado mecanismo de eliminación, un principio sólidamente establecido en el diseño de condensadores. Con sus condensadores de energía de corriente alterna y Baja Tensión, construidos con tecnología de película metalizada, ABB acumula más de 30 años de éxito en esta tecnología de condensadores. La pérdida de capacitancia debida a una simple eliminación es demasiado pequeña para ser medida. Sin embargo, a lo largo de años de operación se producirá un gran número de eliminaciones, originando una pérdida lenta, pero medible, de la capacitancia. 6 Relative Capacitance C/C 0 ner tan bajo el esfuerzo eléctrico que la ruptura nunca se produzca (es decir, una densidad de energía muy baja); este método se aplica en cables, transformadores y muchos otros componentes de Alta Tensión. Para los condensadores se aplica otra estrategia. Los condensadores convencionales suelen ir equipados con fusibles internos que desconectan la parte del condensador que falla. Desde la perspectiva del operador, esto supone la pérdida de un pequeño porcentaje de la capacitancia. En cambio, un condensador de película metalizada como el DryQ Ejemplo de capacitancia relativa de dos condensadores con polipropileno metalizado durante el envejecimiento acelerado, medida en los laboratorios de ABB. Aunque la caída inicial de la capacitancia es un efecto reversible causado por el calentamiento, el condensador A pierde capacitancia mucho más rápidamente que el condensador B Capacitor B Capacitor A Time (hours) fit Capacitor B fit Capacitor A Las aplicaciones típicas de los condensadores HVAC imponen estrictos requisitos de estabilidad a largo plazo para la capacitancia de las baterías de condensadores. Una variación de la potencia reactiva puede reducir la eficiencia de la línea de energía eléctrica. Con una vida útil especificada normalmente en 30 años, hubo que aplicar métodos muy precisos de envejecimiento acelerado en el diseño y prueba del nuevo producto. Con este fin, ABB ha desarrollado un método para supervisar la capacitancia de un dispositivo sometido a envejecimiento acelerado con un error de precisión del 0,1 %. Este sistema mide automáticamente el dispositivo, por ejemplo, a intervalos de un minuto, mientras se aplica una tensión superior al valor nominal. Los resultados permiten predecir de forma rápida y precisa la pérdida de capacitancia del condensador a lo largo del tiempo 6. Pequeño, ligero, silencioso Dada su forma cilíndrica, con conexiones eléctricas en los extremos, DryQ es completamente diferente a un condensador convencional. La longitud del tubo se ajusta a la tensión y la conexión en serie de las unidades permite conseguir tensiones incluso mayores. El cliente dispone de varias opciones de configuración para una batería específica de condensadores, dependiendo de parámetros como la superficie de suelo disponible y el ruido admisible. En espacios reducidos se puede construir una batería de condensadores DryQ con una superfi- 20

5 cie en planta sumamente pequeña: tan sólo el 50 % de la necesaria para los condensadores convencionales. Si el impacto visual es más importante, la batería de condensadores DryQ se puede montar con un perfil bajo, que ocupa una superficie algo mayor. En cualquiera de las dos configuraciones, la batería de condensadores DryQ pesa aproximadamente tres cuartas partes que una batería de condensadores convencionales y se entrega en bastidores preensamblados para facilitar la instalación. 7 Resultados de la evaluación del ciclo de vida útil DryQ en comparación con el diseño de condensadores convencionales AP GWP 100 HCA NP DryQ Conventional Potencial de acidificación, AP Riesgo de acidificación del agua y el suelo, que puede afectar gravemente a los cultivos agrícolas, bosques y vida acuática y deteriorar las estructuras de edificios Potencial de calentamiento global 100, GWP 100 Efecto de los gases invernadero, estimado para dentro de 100 años Aire tóxico para el hombre, HCA Toxicidad para el ser humano a través de la respiración, en función de determinados parámetros toxicológicos. La concentración admisible o tolerable en el aire viene definida por las directrices sobre la calidad del mismo. Potencial de nutrificación, NP Riesgo de nutrificación del agua causada sobre todo por el nitrógeno y el fósforo. NP es una medida de la capacidad de formar biomasa en función del contenido de fosfato. Menores emisiones acústicas Los ruidos emitidos por los equipos eléctricos son un aspecto medioambiental de creciente importancia. Los armónicos eléctricos de la red y la frecuencia propia del condensador generan ruidos audibles. ABB ha desarrollado un amortiguador acústico, integrable como opción en un condensador convencional, que consigue reducir el ruido en 18 db. Ya desde la primera etapa de desarrollo del DryQ se consideraron minuciosamente los aspectos acústicos. El diseño geométrico, con una envoltura polimérica cilíndrica cubierta con silicona, explica que los niveles acústicos sean equiparables a los de un condensador convencional amortiguado. Esto hace que DryQ sea la opción más natural para condensadores en derivación ubicados en zonas sensibles al ruido. ABB desarrolló un diseño propio de recubrimiento de silicona que optimiza la refrigeración gracias a sus propiedades eléctricas. Sostenible LCA (Life Cycle Assessment) es una herramienta que permite determinar el impacto medioambiental de productos o sistemas durante toda su vida útil. LCA considera todos los materiales y procesos de producción, el uso de la energía y el comportamiento del producto durante este período, así como el transporte de todo tipo y la eliminación final. En 7 se muestran los resultados obtenidos con LCA para DryQ en relación con los condensadores impregnados convencionales. El gráfico muestra el condensador convencional con un valor del 100% y el DryQ como una proporción del mismo. En este caso se han elegido las cuatro categorías de impactos más relevantes para la comparación. Es evidente que, en las cuatro categorías, el comportamiento de DryQ es notablemente mejor que el de los condensadores impregnados convencionales. El uso de condensadores en derivación en las redes de transmisión y distribución es beneficioso para el medio ambiente, debido también a la reducción de las pérdidas totales de transmisión. Sin embargo, este benefi- cio no se tiene en cuenta en la herramienta LCA, ya que ésta considera el condensador sólo como un producto y no incluye la aplicación del mismo. Protección de condensadores Una batería de condensadores necesita protección contra las averías, tanto originadas dentro de la propia batería como debidas a causas externas. La protección más común de una batería de condensadores consiste en conectarla en configuración en Y, YY o H. Esto significa que la batería de condensadores se divide eléctricamente en secciones equilibradas respecto de la capacitancia inicial. Cuando la capacitancia en algún punto de la batería varía durante el funcionamiento, se provoca un desequilibrio medible de la tensión o la intensidad. Todos los sistemas habituales de protección detectan una variación de capacitancia en un componente de la batería. En el caso de una batería de condensadores convencionales, las unidades están protegidas interna o externamente con fusibles, de modo que la capacitancia varía gradualmente cuando la protección contra el desequilibrio detecta una avería. La protección contra el desequilibrio dispara un interruptor que desconecta la batería cuando se produce un cambio determinado de capacitancia. Análogamente, el mecanismo de autorreparación de un condensador DryQ también hace variar gradualmente la capacitancia. Por consiguiente, DryQ puede utilizar el mismo sistema de protección usual para los condensadores convencionales. Birger Drugge Johan Mood ABB Power Technologies Suecia birger.drugge@se.abb.com johan.mood@se.abb.com Henning Fuhrmann ABB Switzerland Ltd, Corporate Research Baden, Suiza henning.fuhrmann@ch.abb.com Sari Laihonen ABB AB, Corporate Research Västerås, Sweden sari.laihonen@se.abb.com 21