Colapso de Voltaje: Un Desafío para la Operación Continua de los Sistemas Eléctricos

¿Qué ocasiona el colapso de voltaje en los sistemas eléctricos de potencia? ¿Cómo se puede mitigar el colapso de voltaje en los sistemas eléctricos?

En muchos casos, los problemas de voltaje pueden ser causados por interrupciones en las instalaciones eléctricas provenientes de fallas o fluctuaciones de carga. En otros casos, la degradación del voltaje está relacionada con la operación en exigencias mayores a la capacidad de transferencia de energía del sistema eléctrico.

Cuando el voltaje del sistema eléctrico disminuye, se requieren corrientes más altas para soportar los requisitos de transferencia de energía. Esto implica una condición que puede evolucionar hacia la disminución continua de los niveles de voltaje en todo el sistema eléctrico en el que no actúan las reservas reactivas, o son insuficientes. Dando como reultado el colapso total del voltaje, generando interrupciones prolongadas y generalizadas del sistema eléctrico.

Para evitarlo, se deben implementar esquemas que sean capaces de detectar síntomas de colapso inminente con tiempo suficiente para iniciar la acción correctiva apropiada.

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¿Cómo Mitigar el Colapso de Voltaje?

Es de esperarse que los niveles de voltaje en todo el sistema caigan de manera no uniforme. Por lo que se debe identificar cuáles son las barras críticas en las que se deben monitorear los voltajes y tomar acción para mitigar el colapso de voltaje. A demás, es necesario utilizar relés de voltaje de alta precisión para evitar errores de operación.

A continuación, veremos cinco formas en las que se puede mitigar el colapso de voltaje del sistema eléctrico.

1. Implementación de Reservas Reactivas en el Sistema Eléctrico

Lo primero que se utiliza para mitigar el colapso del voltaje es la reserva de suministo reactivo desde la etapa de planificación, diseño y construcción del sistema eléctrico. Adicionalmente, se requiere un sistema de control automático que pueda poner en servicio las reservas reactivas dentro de un período de tiempo que satisfaga las características dinámicas del sistema de potencia. Este sistema de control comprende lo siguiente:

  • Reguladores de Voltaje Automáticos de Acción Rápida.
  • Controles Automáticos para cambiar rápidamente los bancos de capacitores.
  • Reconexión de Alta Velocidad en las Líneas de Transmisión.
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2. Coordinación de los Sistemas de Control de Excitación de las Plantas de Generación de Energía

Es importante que los limitadores y los sistemas de control de excitación de las plantas de generación de energía se establezcan y coordinen correctamente de modo que la capacidad reactiva completa de los generadores esté disponible para el soporte del voltaje del sistema durante condiciones de degradación de voltaje.

3. Reducción de los Niveles de Voltaje en las Barras de las Subestaciones de Distribución

Se puede mitigar el colapso de voltaje con la reducción de la carga, sin desconectar circuitos, al reducir los niveles de voltaje en las barras de las subestaciones de distribución. Esto podría ayudar efectivamente a mantener los niveles de voltaje en el sistema de alta tensión, y puede servir para mitigar una condición de colapso de voltaje de acción más lenta.

4. Bloqueo de los Cambiadores de Tomas en los Transformadores de Distribución

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En cuanto a los sistemas de distribución, la degradación de los niveles de tensión se pueden mitigar mediante la acción de bloqueo de los cambiadores de tomas automáticos de los transformadores de distribución.

Durante condiciones normales de operación, los cambiadores de tomas actuarían para aumentar el voltaje cuando este cae por debajo de los valores prescritos.

Sin embargo, durante condiciones de degradación del voltaje, si el cambiador de tomas actúa para intentar aumentar el voltaje de distribución, contribuirá a un decaimiento mayor del voltaje en el lado de alta tensión, agravando el problema. Es por esta razón que se recomienda bloquear los cambiadores de tomas de forma manual o automática cuando se detectan condiciones de colapso de voltaje en el sistema de alta tensión.

5. Deslastre de Carga para Evitar el Colapso de Voltaje

El deslastre de carga debe implementarse como última opción en caso de que se hayan agotado todos los demás esfuerzos para evitar un colapso total de voltaje.

Deslastre de Carga de Forma Manual

En el caso de que el voltaje del sistema decaiga gradualmente en el tiempo, es efectivo estabilizar el voltaje a través de programas manuales de deslastre de carga. Para esto, se desarrollan procedimientos planificados previamente para que los operadores del sistema procedan con la desconexión de las cargas cuando se está produciendo un colapso de voltaje.

Sin embargo, el deslastre de carga de forma manual tiene la desventaja de que el criterio de desconexión de carga recae sobre el juicio humano para reconocer el problema de voltaje y concluir que el único recurso sea soltar la carga.

Deslastre de Carga de Forma Automática

En el caso de que la degradación del voltaje del sistema sea muy rápida, no da tiempo de que la interacción humana pueda tomar acción para recuperar el voltaje antes de que colapse. En consecuencia, se producen pérdidas repentinas de las instalaciones críticas del sistema, llevando al colapso total del voltaje. Es por esto que es necesario aplicar esquemas automáticos de deslatre de carga con relés de bajo voltaje, definidos con el número de función ANSI 27.

Los esquemas automáticos de deslastre de carga consisten en la instalación de varios relés de bajo voltaje para monitorear mútiples fases, configurados para operar en un rango de 85% a 95% del voltaje normal. Además, se coordinan con retardos de tiempo adecuados para permitir las variaciones de voltaje transitorio esperadas en condiciones de operación normal del sistema. Estos retardos de tiempo suelen oscilar entre 30 ciclos y varios minutos, dependiendo del análisis del sistema eléctrico. Adicionalmente, este esquema debe ser supervisado por relés de detección de fallas, con el objetivo de evitar el deslastre durante o después de fallas del sistema.

Sin embargo, la configuración de los esquemas automáticos de deslastre de carga por bajo voltaje es un proceso complejo que requiere un análisis exhaustivo de las características dinámicas del sistema de generación de energía asociado.

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Fuentes

Taylor and Francis Group, LLC. (2006). Protective Relaying, Principles and Applications. Third Edition.

Power Management | Schweitzer Engineering Laboratories (selinc.com)

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