Filtros Pasivos en Redes de BT

Problemas para filtrar armónicos en consumidores industriales de baja tensión

Luis O. Corvalán

Abril de 2011

Con motivo de una charla sobre Armónicos en Sistemas de Potencia que presenté en Tucumán el pasado 1º de abril, en la ronda de preguntas que se incluyó al final de la misma surgió la inquietud de cómo resolver el problema de los consumidores medianos afectados por contaminación de armónicos pero que consumen en baja tensión. Estos usuarios no pueden instalar filtros pasivos ya que serán afectados por las corrientes distorsionadas presentes en la red pública. Deberán soportar las multas por bajo factor de potencia o recurrir exclusivamente a filtros activos, mucho más costosos. Este artículo propone una solución técnica al problema.

Uno de los requisitos para filtrar armónicos en sistemas de potencia con filtros pasivos es disponer de un circuito limitado por un acople eléctricamente elástico con la red. En la gran mayoría de los casos este acople elástico lo representa el transformador de alimentación de una SET, que puede ser el de un sector de una fábrica cuando en ella se distribuye en media tensión o el de la fábrica misma cuando ésta se alimenta de un único transformador general.

El problema se presenta cuando el consumidor industrial compra la energía en baja tensión, y de esta manera está compartiendo un mismo circuito de BT con otros consumidores.

Los filtros pasivos del tipo selectivo ofrecen una impedancia casi nula para las frecuencias que deben filtrar y por sus ramas sintonizadas se derivarán las corrientes de esos armónicos presentes en el circuito evitando así que circulen por las partes activas (cables, transformadores, máquinas) del propio circuito.

Consumidores en MT:

Veamos la figura 1. Ahí tenemos dos clientes industriales vecinos. Ambos compran energía en media tensión y tienen su propio transformador de alimentación general.  Ambos tienen cargas lineales y no-lineales en sus fábricas. El cliente 1 instala un filtro pasivo que deriva las corrientes de armónicos I_h generadas por sus cargas no lineales. Las corrientes de armónicos del vecino se amortiguan mayoritariamente en la inductancia de dispersión el transformador de alimentación de ese cliente, pasando una cantidad residual a la línea de MT.

Las armónicas múltiplos de 3 quedan “atrapadas” en el arrollamiento de MT del transformador que usualmente se conecta en triángulo o delta (Δ). Por un proceso similar los armónicos que pudieran estar presentes en la red de MT no afectan perceptiblemente aguas abajo del transformador de alimentación del cliente nº 1, pudiendo su filtro pasivo trabajar en las condiciones normales para las que fue dimensionado.

Consumidores en BT:

Si la misma situación fuera a darse con dos clientes conectados en baja tensión a una única SET pública, estaríamos en la situación de la figura 2.

Ahí no tenemos impedancia alguna entre el circuito interno de la fábrica 1 y el circuito interno de la fábrica 2. De esta manera las corrientes de armónicos generados por el cliente 2 “ven” las ramas de baja impedancia del filtro instalado por el cliente 1 y se derivan por él, sumándose a las corrientes de armónicos del propio cliente 1. Esto producirá una sobrecarga en las ramas del filtro que no fue dimensionado para los armónicos de los vecinos y saldrá de servicio por sobrecorriente, impidiendo su funcionamiento.

Este fenómeno es la razón por la cual se dice que los consumidores en BT no pueden usar filtros pasivos para solucionar sus problemas de armónicos. En estos casos lo único recomendable es el uso de filtros activos que sí pueden compensar sólo las corrientes de armónicos del cliente 1, ubicando estratégicamente el transformador de intensidad que tomará lectura de la corriente con distorsión a ser filtrada, sin considerar la corriente de la fábrica vecina. Esto se logra por ser el filtro activo a su vez un generador de una corriente de armónicos que se anulará con las armónicas de la línea medida. No significa un camino de baja impedancia y por lo tanto no “atrae” la corriente distorsionada del cliente 2.   

Esta solución, técnicamente indiscutida, es sin embargo mucho más cara que el filtrado pasivo y además requiere de un compensador de factor de potencia aparte, ya que un filtro activo solo limpia la línea de armónicos pero no compensa factor de potencia. Además para generar esa “contra corriente” consume energía activa de la red con lo que el consumo total de energía del cliente nº1 aumentará reflejándose en la factura de la energía eléctrica.

El transformador virtual:

                       

            Una solución que propongo como alternativa al filtro activo como única solución (hasta ahora) es la de virtualizar un transformador alimentador para el consumidor nº 1 del ejemplo anterior. Esto consiste en intercalar en el circuito una impedancia serie que cumpla las funciones de la impedancia de dispersión de un transformador de alimentación, impedancia que a su vez es la encargada de “amortiguar” la conexión del circuito de la fábrica con la red pública.

Como la tensión a la entrada de la reactancia de dispersión en el circuito equivalente de un transformador de potencia es su tensión de vacío, y en bornes de nuestra fábrica muy probablemente tengamos algo menos que ese valor (salvo que estemos muy cerca de la SET), para no disminuir la tensión disponible en nuestra red interna colocamos a la entrada de nuestra inductancia de dispersión simulada un autotransformador capaz de garantizar a la entrada de esta inductancia una tensión igual a la de un transformador de potencia en vacío. En nuestro sistema trifásico de baja tensión este valor es de 3 x 400V. Esto se debería lograr con un autotransformador de tamaño muy reducido ya que el valor de tensión a elevar debería ser no más de un 5% de la tensión de entrada disponible en la red pública. Este conjunto autotransformador-impedancia externa es lo que se comportará como un transformador virtual, ya que visto desde el lado del consumidor, su comportamiento respecto de la red pública será similar a la de un transformador reductor alimentado desde una red de media tensión. Así podemos replicar el comportamiento analizado en la figura nº 1.

Con este esquema propuesto, que se ilustra en la figura nº 3, el circuito eléctrico de nuestra fábrica queda “amortiguado” de la red pública gracias a la inductancia Ls. Podemos de esta manera filtrar las armónicas generadas por nuestros equipos y mejorar el factor de potencia de la fábrica sin las interferencias de las armónicas generadas por nuestros vecinos. Las corrientes de armónicas de la fábrica 2 viajan por la red pública pero no “ven” los caminos de baja impedancia de nuestro filtro porque de por medio está la impedancia Ls, haciendo más atractivo viajar hacia el transformador de la SET pública que es de mayor potencia que el transformador virtual instalado en la fábrica nº 1 y por lo tanto con impedancias de dispersión menores. Por esta razón ilustramos la corriente de armónicos I_h  proveniente del cliente nº 2 siguiendo de largo hacia la SET y no interviniendo en el circuito del cliente nº 1 como sí lo hacía en el circuito de la figura nº2.

Con esta configuración simple que no agrega costo significativo al estudio e instalación de un buen filtro pasivo, se puede destrabar la clásica prohibición de su uso cuando consumimos directamente en baja tensión.