Reactores de Filtro de Armónicos de Núcleo de Hierro Contra Núcleo de Aire

Introducción
En el nivel de media tensión, 2,4kV hasta 13,8kV, los filtros armónicos son normalmente diseñados, especificados y fabricados con reactores de núcleo de hierro o núcleo de aire. La preferencia de uno sobre el otro se debe a la experiencia, familiaridad, malentendido o por una buena razón técnica. Este documento debería ayudar en presentar las diferencias y beneficios principales que existen entre estos dos tipos de reactores.

Antecedentes
La figura 1 muestra las características físicas de los reactores de núcleo de hierro y de núcleo de aire utilizados en los filtros armónicos. Los reactores de núcleo de hierro normalmente consisten de arrollamiento de cobre alrededor de un núcleo de hierro que tiene un entrehierro. El número de vueltas de arrollamiento, área del entrehierro, y longitud del mismo, determina la inductancia de los reactores. Debido a la alta permeabilidad del hierro, el campo magnético está confinado al núcleo, y la inductancia del reactor se logra con un bajo número de vueltas. El núcleo de hierro puede ser puesto en una potencia de línea o a tierra. En un potencial de línea, el núcleo estaría apoyado en aisladores de apoyo y la gradiente de tensión entre el núcleo y el arrollamiento sería mínima. Cuando el núcleo de hierro está en un potencial a tierra, el asilamiento del arrollamiento al núcleo debe ser clasificado para un potencial de línea.

Figura 1 – Típicos diseños de rector de núcleo de aire y hierro

El reactor de núcleo de hierro consiste de un arrollamiento de cobre o aluminio enrollado alrededor y apoyado por una estructura de aluminio. La estructura de aluminio está flotando en un potencial de línea con disyuntores de apoyo para minimizar los requerimientos de aislamiento y costo. La inductancia de los reactores de núcleo de aire es principalmente determinada por el número de vueltas, altura y diámetro del reactor. Es normalmente grande y consiste de muchas vueltas en comparación con un reactor de núcleo de hierro con una inductancia igual.

Ya que no hay hierro, el campo magnético disperso es alto y se debería justificar en las etapas tempranas de un diseño de filtro armónico. El tipo de reactor utilizado normalmente determina el diseño del filtro armónico. La Figura 2 muestra cómo el tipo de reactor cambia las características físicas y diseño del filtro. Los reactores de filtro de aire son habitualmente asociados con los bancos de condensadores de montaje en bastidor y son instaladas en subestaciones. Los reactores de núcleo de hierro están ubicados dentro de los gabinetes que pueden estar clasificados para locaciones internas o externas.

Figura 2 – Típicos Diseños de Filtro de Núcleo de Hierro y Aire

DESEMPEÑO DEL FILTRO

Problemas
Normalmente aparece la pregunta de qué reactor es superior para las aplicaciones del filtro armónico. La tabla 1 debería ayudar con esta pregunta. La tabla muestra que hay beneficios y retrocesos para ambos tipos de reactores. Los principales problemas con respecto a los filtros armónicos están limitados a los campos magnéticos dispersos, saturación, clasificación de corriente armónica y requerimientos de espacio.

Campos Magnéticos Dispersos
Los reactores de núcleo de hierro tienen altos campos magnéticos dispersos. Estos campos pueden interferir con otros equipos de sistema de energía, producir corrientes inducidas (las cuales causan recalentamiento) en estructuras de acero cercanas, y presentan un problema a la salud a las personas con marcapasos y otros mecanismos médicos. Estos problemas se pueden reducir o eliminar al proporcionar un despeje suficiente alrededor del reactor. Donde los bienes raíces son un problema, las placas de aluminio de 3/8” se pueden ubicar alrededor de los reactores (suelo, techo, e incluso en los costados) para reducir campos externos. Las corrientes inducidas también se pueden reducir al proporcionar aislamiento (rompiendo de manera efectiva los caminos de corriente). De cualquier manera, la solución para los campos magnéticos dispersos puede aumentar el costo de la instalación. Se debería consultar al fabricante del reactor, e informar de cuerpos conductores cercanos, ya que ellos pueden tener un efecto en la inductancia de los reactores.

Saturation
La saturación es un problema inherente en los reactores de núcleo de hierro. La cantidad de flujo, o densidad del flujo, que el reactor de núcleo de hierro puede transportar es limitada y es dependiente de su área transversal. Entre más alta sea el área transversal, más alta será la cantidad de flujo que puede transportar. La densidad del flujo está directamente relacionada con la corriente máxima que el reactor transportará, la cual puede ser tan alta como la corriente máxima fundamental además de la suma de las corrientes armónicas máximas individuales. Esto es raramente el caso, pero llevaría a un diseño del reactor muy conservador. Entre menos diseños conservadores asuma un factor de simultaneidad, el cual define la corriente máxima como un porcentaje de la suma de la corriente armónica máxima además de la corriente máxima fundamental. La idea que se quiere hacer aquí, es que se puede eliminar la preocupación de la saturación en los reactores de núcleo de hierro por un diseño apropiado del reactor. Al especificar los reactores de núcleo de hierro, se debería tomar nota de los siguientes puntos:

• El reactor de núcleo de hierro se debería diseñar para que no se sature cuando el flujo armónico y el flujo fundamental sean totalmente aditivos (factor de simultaneidad de 1,0).

• La saturación se debería definir en el punto donde hay un 10% de pérdida de inductancia.

• El espectro de la corriente armónica debería justificar la regulación de tensión, las tolerancias en la fabricación en los reactores y en los condensadores y un crecimiento de la carga armónica.

Si se especifican los puntos anteriores, la saturación no debería ser una preocupación para los reactores de núcleo de hierro.

Clasificación de Corriente Armónica (RMS)
La clasificación de corriente armónica es el vector de la suma de las corrientes armónicas y es una preocupación en los reactores de núcleo de hierro y aire. La clasificación de la corriente determina el área transversal del conductor de arrollamiento y debería estar especificado cuando se ordena el reactor. Las corriente debería justificar el crecimiento de carga armónica presente y futura, además de las corrientes armónicas y fundamentales aumentadas debido a la regulación de tensión y tolerancias de fabricación en los condensadores y reactores. Cuando se especifique el reactor, el espectro de la corriente se debería especificar ya que los armónicos de alto orden tienen una disminución de los efectos de recalentamiento.

Requerimientos de Espacio
Los requerimientos de espacio son normalmente una preocupación asociada con los reactores de núcleo de aire debido al campo magnético disperso. Estos campos se pueden reducir blindándolos, pero esto puede añadir costos al resultado neto. Si el blindaje es necesario, se debería especificar cuando se ordene el reactor, ya que puede tener un efectos en la inductancia del reactor. Las siguientes prácticas son las que se toman cuando se utilizan los reactores de núcleo de aire:

• Ningún objeto metálico que forme un bucle cerrado (barra doble, red de conexión a tierra, tabla de tracción, etc.) deberá estar dentro de un diámetro del reactor. Normalmente, esto crearía un área de 12 x 12 pies (asumiendo que los reactores están amontonados) con el reactor al centro. Si los reactores no están amontonados, se necesitaría más espacio en el piso.

• Gabinetes de acero juntados fraccionados y de aluminio pueden tener despejes de ½ diámetro entre las murallas del gabinete y el reactor.

• Si una barra doble directamente debajo del reactor es una preocupación (u otros metales que forman bucles), se pueden usar pedestales para aumentar los reactores lejos del suelo, techo o tierra. Si los reactores no se pueden aumentar debido a limitaciones de altura, una gruesa placa de aluminio de 12 x 12 pies x 3/8” se puede ubicar directamente debajo del reactor para el blindaje. El costo de dicha placa sería de unos US$1100.

• Si los efectos en la salud son una preocupación, la fabricación del reactor se debería consultar para determinar los requerimientos de distancia para alcanzar los niveles seguros de campo magnético. Como regla general, el ½ diámetro del campo magnético del reactor sería de aproximadamente 30 Gauss. Un gabinete de muralla delgada no proporcionará un efecto de blindaje. Para obtener campos más bajos, se puede proporcionar más espacio, o se podría usar una cortina de aluminio de 3/8” (blindaje) alrededor del reactor. Si el personal puede entra en contacto con la cortina de aluminio, se podría necesitar una doble pared gabinete debido a la temperatura excesiva del aluminio y el peligro de quemaduras.

Conclusión
Los reactores de núcleo de hierro como los reactores de núcleo de aire tienen beneficios y desventajas, pero cuando están diseñados, especificados y aplicados de manera apropiada, su desempeño es equivalente.

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