ES2310555T3 - Condensador de potencia. - Google Patents
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Abstract
Un condensador de potencia para alto voltaje incluyendo al menos un elemento condensador (2a-2d) encerrado en una caja (1), donde cada elemento condensador tiene una forma sustancialmente circular-cilíndrica y el interior de la caja (1) tiene una forma sustancialmente circular-cilíndrica correspondiente con el fin de rodear estrechamente cada elemento condensador (2a-2d), cada elemento condensador está orientado con la dirección axial coincidiendo con la dirección axial de la caja, siendo la caja (1) de material aislante eléctrico y estando provista de un terminal de conexión eléctrica (3, 4) dispuesto en cada extremo de la caja (1), por lo que la caja propiamente dicha constituye aislamiento entre los terminales de conexión, y cada elemento condensador (2a-2d) tiene un canal central (6) que se extiende a través de él en dirección axial, formando conjuntamente los canales pasantes de los elementos un canal pasante entre los dos extremos de la caja (1).
Description
Condensador de potencia.
La presente invención se refiere a un
condensador de potencia del tipo descrito en la reivindicación 1. El
condensador de potencia según la invención está destinado
primariamente a un voltaje de régimen superior a 1 kV, por ejemplo
5 kV, preferiblemente al menos 10 kV.
Los condensadores de potencia son componentes
importantes en los sistemas de transmisión y distribución de
potencia eléctrica. Se usan instalaciones de condensadores de
potencia primariamente para aumentar la capacidad de transmisión de
potencia mediante compensación en paralelo y serie para
estabilización de voltaje a través de sistemas estáticos VAR y como
filtros para eliminar armónicos.
Los aspectos segundo y tercero de la invención
se refieren a un banco de condensadores del tipo descrito en la
reivindicación 19 y a usos de los tipos descritos en las
reivindicaciones 23 a 31.
Los condensadores tienen un ángulo de fase
próximo a 90 y por lo tanto generan potencia reactiva. Conectando
un condensador cerca de los componentes que consume potencia
reactiva, se puede generar la potencia reactiva deseada. Así, se
pueden utilizar cables para transmitir potencia activa. El consumo
de potencia reactiva por la carga puede variar y es deseable
generar constantemente una cantidad de potencia reactiva equivalente
al consumo. Para esta finalidad una pluralidad de condensadores
están conectados mediante conexión en serie y/o paralelo en un
banco de condensadores. Se puede conocer el número necesario de
condensadores, correspondiente a la potencia reactiva consumida. La
potencia de compensación consumida utilizando condensadores de la
manera descrita anteriormente se denomina compensación de fase.
Para ello se ha previsto un banco de condensadores en forma de una
batería shunt cerca de los componentes que consumen potencia
reactiva. Tal batería shunt consta de una pluralidad de
condensadores conectados conjuntamente. Cada condensador incluye a
su vez una pluralidad de elementos condensadores. La estructura de
dicho condensador convencional se explica a continuación.
Una batería shunt incluye generalmente un número
de cadenas de una pluralidad de condensadores conectados en serie.
El número de cadenas se determina por el número de fases, que es
generalmente tres. El primer condensador de una cadena está
conectado así a un cable para transmitir potencia eléctrica al
componente de consumo. El cable para transmitir potencia eléctrica
está dispuesto a cierta distancia de la tierra o de puntos en el
entorno que tienen potencial de tierra. Esta distancia depende del
voltaje del cable. Los condensadores están conectados así en serie
desde el primer condensador, que está conectado al cable, y hacia
abajo. Un segundo condensador, dispuesto en un extremo de la cadena
de condensadores conectados en serie enfrente del primer
condensador, está conectado a potencial de tierra o a un punto en el
sistema eléctrico que tiene potencial cero (por ejemplo sistemas de
tres fases sin puesta a tierra). El número de condensadores y su
diseño se determinan de modo que el voltaje permitido (voltaje de
régimen) en los condensadores conectados en serie corresponda al
voltaje en el cable. Así se conecta en serie una pluralidad de
condensadores y se dispone en soportes o en plataformas aislados
del potencial de tierra. Tal banco de condensadores incluye así una
pluralidad de diferentes componentes y demanda relativamente mucho
material. Además, se hace necesaria una construcción relativamente
robusta si el soporte/plataforma ha de resistir influencia externa
en forma de viento, terremotos, etc. Se precisa así un trabajo
considerable para construir tal banco de condensadores. Este
problema es especialmente agudo cuando el banco de condensadores
consta de gran número de condensadores. El banco de condensadores
también ocupa una zona relativamente grande en la tierra.
Los cables largos para voltaje alterno son
inductivos y consumen potencia reactiva. Por lo tanto, los bancos
de condensadores para compensación en serie están dispuestos
espaciados a lo largo de tal cable con el fin de generar la
potencia reactiva necesaria. Una pluralidad de condensadores está
conectado en serie para compensar la caída de voltaje inductivo. En
un banco de condensadores para compensación en serie, en
contraposición a una batería shunt, la conexión en serie de
condensadores generalmente solamente toma una parte del voltaje en
el cable. Las cadenas de condensadores conectados en serie incluidos
en el banco de condensadores para compensación en serie también
están dispuestas en serie con el cable a compensar.
Un banco de condensadores convencionales incluye
una pluralidad de condensadores. A su vez, dicho condensador
incluye una pluralidad de elementos condensadores en forma de rollos
de condensadores. Los rollos de condensadores son aplanados y están
apilados uno encima del otro para formar una pila de 1 m de altura,
por ejemplo. Se dispondrá un número muy grande de películas
dieléctricas con capas metálicas intermedias en paralelo en la
dirección vertical de la pila. Cuando aumente el voltaje aplicado
sobre la pila, la pila se comprimirá algo en dirección vertical,
debido a fuerzas Coulomb que actúan entre las capas metálicas. Por
la misma razón, si el voltaje disminuye, la pila se expandirá algo
en dirección vertical. La pila formada tiene una frecuencia de
resonancia mecánica específica o frecuencia natural, que es
relativamente baja. La frecuencia de resonancia mecánica de la pila
es amplificada por frecuencias específicas de la corriente, que
puede producir un ruido fuerte. La frecuencia de la red constituye
tal frecuencia, que se define por la frecuencia fundamental de la
corriente y es generalmente 50 Hz. Sin embargo, la amplificación de
la frecuencia de resonancia mecánica también puede ser efectuada
por armónicos en la corriente.
\newpage
Un ejemplo de un condensador de potencia de este
tipo conocido se describe en US 5.475.272. Aquí se describe un
condensador de alto voltaje construido de una pluralidad de
elementos condensadores apilados uno encima de otro y colocados en
una caja común. La caja se hace de metal de manera convencional. Los
cuellos aislantes eléctricos se hacen de porcelana o polímero. La
publicación también describe varios acoplamientos alternativos para
conectar los elementos condensadores en serie o en paralelo.
También se conocen cajas cilíndricas de
condensador por EP 0 190 621, EP 0 416 164 y EP 0 702 380.
Ninguno de estos, sin embargo, se refiere a un
condensador de potencia para alto voltaje.
Un problema de un condensador de tipo conocido,
por ejemplo del tipo descrito en US 5.475.272 mencionada
anteriormente, es que los elementos condensadores incluidos deben
estar aislados de la caja. El aislamiento debe resistir esfuerzos
de voltaje considerablemente más altos que el voltaje de régimen del
condensador. La finalidad es llenar la caja con elementos
condensadores lo más eficientemente que sea posible. Su forma
aplanada externa es desfavorable con respecto a la amplificación de
campo eléctrico debido a láminas sobresalientes, radios pequeños,
etc. También deben estar conectados conjuntamente mediante cableado
de conexión interno de manera que a menudo crea más irregularidades
locales en el campo eléctrico. Esto da lugar a considerable demanda
de resistencia eléctrica en el aislamiento contra la caja. Si el
condensador es de un tipo que carece de fusibles, el cortocircuito
entre un elemento condensador y la caja puede dar lugar a que se
descarguen grandes cantidades de energía en el punto defectuoso. La
consecuencia puede ser una explosión con daño principal.
Otro problema de los condensadores de potencia
convencionales es el sonido que se genera. La generación de sonido
es más fuerte cuando las vibraciones generadas por la carga de
voltaje eléctrico coincide con la frecuencia de resonancia mecánica
del condensador. La frecuencia de resonancia es proporcional a la
raíz cuadrada del cociente entre la rigidez del paquete de
condensadores perpendicular a las capas de electrodo e inversamente
proporcional a la extensión del paquete perpendicular a las capas de
electrodo.
El objeto de la presente invención es
proporcionar un condensador de potencia en el que se resuelven los
problemas descritos anteriormente. Este objeto se consigue según la
invención con un condensador de potencia como el definido por las
características de la reivindicación 1.
La limitación "sustancialmente
circular-cilíndrica" de la reivindicación indica
que la forma del elemento se puede desviar en grado limitado de la
circular-cilíndrica. La forma puede así ser
ligeramente elíptica, por ejemplo con una diferencia en los radios
de puntos focales de hasta 10%, o tener alguna otra forma que se
desvía en una extensión correspondiente de puramente circular.
Los elementos condensadores con forma
circular-cilíndrica y puntos de conexión en cada
extremo, es decir en las superficies circulares de extremo, tienen
una forma considerablemente más favorable desde el punto de vista
eléctrico que los elementos planos convencionales descritos
anteriormente.
Dado que el interior de la caja tiene una forma
circular-cilíndrica correspondiente a la forma
cilíndrica de los elementos condensadores con el fin de rodear
estrechamente los elementos condensadores, se obtiene un
condensador que es lo más compacto posible y adecuado a una forma de
los elementos que es ventajosa desde el punto de vista de la
fabricación y también eléctricamente favorable. También se evita el
espacio innecesario entre la caja y los elementos
condensadores.
Gracias a la orientación de los elementos
condensadores uno con relación a otro también se logra una reducción
considerable de la generación de sonido. La dimensión total
perpendicular a las capas de electrodo, es decir el diámetro, será
considerablemente menor que la dimensión equivalente en un paquete
de condensadores convencionales. Esto incrementa la frecuencia de
resonancia mecánica de forma significativa. El riesgo de vibraciones
de la carga de voltaje eléctrico que coincide con la frecuencia de
resonancia se elimina así prácticamente. La necesidad de medidas de
reducción de sonido o de amortiguamiento del sonido se reduce en
gran medida, lo que comporta grandes ahorros de costos.
Dado que la caja se hace de material aislante
eléctrico, se elimina la necesidad de aislamiento entre los
elementos condensadores y la caja, y así también el riesgo de
descarga entre elementos condensadores y la caja. Además, las
conexiones eléctricas del condensador pueden ser sumamente simples y
la distancia de fuga entre ellas se puede obtener de la caja
propiamente dicha. Eliminar el aislamiento y los cuellos aislantes
también hace que el condensador sea relativamente compacto, de modo
que ofrezca la oportunidad de construir bancos compactos de
condensadores.
Es así posible obtener una distancia de fuga al
menos correspondiente a la longitud de la caja. Esto constituye una
realización ventajosa de la invención.
La caja se hace adecuadamente de un polímero,
preferiblemente polietileno. Estos tipos de materiales combinan una
buena capacidad de aislamiento con otras cualidades deseadas tales
como resistencia, gestionabilidad y costo. En realizaciones
preferidas del condensador según la invención, el material es así de
los tipos mencionados.
Los beneficios del condensador según la
invención son muy evidentes cuando incluye una pluralidad de
elementos condensadores conectados en serie y con los terminales de
conexión del condensador dispuestos en ambos extremos de la caja
cilíndrica, y por lo tanto esto constituye una segunda realización
preferida de la invención. No se necesita ninguna disposición
especial para obtener la distancia de fuga necesaria entre los
terminales dado que la caja propiamente dicha la crea.
Según otra realización preferida de la
invención, cada terminal de conexión incluye un conductor eléctrico
fijado en el material de la caja, por ejemplo en forma de una
lámina. Tales terminales de conexión son especialmente simples y
con el material aislante de la caja se explota una oportunidad
ventajosa.
Los elementos condensadores están dispuestos con
un canal axial central que se extiende a través de cada elemento
condensador. Esto proporciona condiciones de enfriamiento favorables
para el enfriamiento interior del condensador. En un volumen
cilíndrico con generación homogénea de calor, y sin abertura en el
centro, el perfil de temperatura en dirección radial aumentará
fuertemente hacia el centro. Si el volumen cilíndrico está dispuesto
de modo que la generación de calor no tenga lugar en un volumen
cilíndrico parcial en el centro del volumen total, la temperatura
máxima en el centro se reducirá. Además, si se prevé alguna forma de
enfriamiento forzado en el volumen parcialmente cilíndrico en el
centro, la temperatura máxima se reducirá más. Disponer el volumen
parcial en el centro como un canal pasante es una realización
ventajosa de la invención desde el aspecto del costo y volumen,
mientras que las dimensiones
externas del condensador total aumentan relativamente poco en comparación con las dimensiones del canal central.
externas del condensador total aumentan relativamente poco en comparación con las dimensiones del canal central.
Según otra realización preferida de la invención
al menos un elemento condensador se divide en una pluralidad de
sub-elementos dispuestos concéntricamente uno con
relación a otro, teniendo el sub-elemento exterior
de los sub-elementos radialmente adyacentes un
canal central que se extiende a su través, es de forma
sustancialmente circular-cilíndrica y rodea
estrechamente el sub-elemento interior. En algunas
aplicaciones ésta puede ser una forma práctica de lograr un
condensador que utiliza de forma óptima el espacio ocupado. Los
sub-elementos en un elemento condensador están
conectados en serie adecuadamente.
También se prefiere que el número de
sub-elementos sea impar, lo que facilita su
conexión.
Según otra realización preferida de la
invención, cada elemento condensador se fabrica de manera conocida
usando una película de polímero recubierta con metal enrollada. Esta
se lamina de forma compacta con el fin de eliminar cualquier
espacio que habría que llenar de aceite. Si el recubrimiento
metálico es suficientemente fino, esta técnica con película
metalizada ofrece la posibilidad de obtener un "condensador de
autocurado". Esto significa que, en el caso de una descarga
eléctrica en un punto en la película, el metal más próximo al punto
defectuoso será vaporizado por una corriente de descarga fuerte,
pero breve, que pasará por el cortocircuito. Cuando se vaporiza el
metal más próximo al defecto, se recupera la resistencia eléctrica
en dicha zona y el elemento condensador "se autocura" así. Las
ventajas que aporta la técnica de película metalizada se utilizan
de manera especialmente favorable en un condensador según la
invención, y además contribuyen a crear un condensador compacto,
simple, fiable que es fácil de fabricar. La mayor rigidez
perpendicular a las capas de electrodo aumenta en esta realización,
que incrementa la frecuencia de resonancia, reduciendo por ello la
generación de sonido.
Según otra realización preferida de la
invención, el recubrimiento metálico se produce de tal forma que se
formen elementos con condensadores parciales interiores conectados
en serie. La técnica es conocida como "elementos con conexión
interior en serie" y es conocida por sí misma. La realización es
obviamente ventajosa para condensadores de alto voltaje dado que se
puede reducir el número de conexiones de elementos en serie. Sin
embargo, la realización es especialmente ventajosa porque utiliza
dicha técnica para autocurado en condensadores de potencia para
altos voltajes operativos. Dado que el autocurado operativo requiere
un recubrimiento metálico especialmente fino y las corrientes que
fluyen a través del metal generan un efecto de pérdida activa
(calor), capas más finas significan pérdidas más altas. Una forma
de reducir las pérdidas sin poner en peligro el requisito de un
recubrimiento metálico fino es elegir una forma para la película
recubierta con metal, y por ello una forma para el elemento, de tal
manera que la dimensión del recubrimiento metálico perpendicular a
la dirección de laminación disminuya y la longitud del rollo
aumente. Si no se recurre a la conexión en serie, la consecuencia
será que los elementos cilíndricos adquieren relativamente poca
altura en relación a su diámetro. Conectar en serie muchos de tales
elementos, según sea preciso para alto voltaje, es desventajoso
desde el aspecto del costo. Así, con conexiones interiores en
serie, se puede formar automáticamente varios elementos parciales
conectados en serie en un elemento cilíndrico según la invención,
con relación óptima entre altura y diámetro desde el punto de vista
de la fabricación, y con buenas cualidades de autocurado.
Según otra realización preferida, el condensador
es seco, es decir, sin aceite. Así se aprovecha un condensador en
el que la caja es de material aislante, a saber que los elementos
condensadores no tienen que estar rodeados por aceite, como suele
ser necesario con los condensadores convencionales. El riesgo de
fuego y escape se elimina en un condensador sin aceite, lo que
también contribuye a lograr un equipo compacto, con ahorro de
material, dado que los condensadores se pueden disponer más cerca de
equipo periférico sensible que en caso contrario.
En la realización incluyendo un condensador seco
puede ser adecuado rodear los elementos condensadores con un gel.
Esto constituye otra realización preferida de la invención.
Según otra realización preferida de la
invención, la caja está provista, al menos en un extremo, de medios
mecánicos de conexión para conexión directa con unos medios de
conexión correspondientes en un condensador de potencia adyacente.
Gracias a la caja hecho de material aislante, los condensadores de
potencia se pueden montar conjuntamente sin aisladores intermedios
y por lo tanto el soporte es superfluo. La disposición de los
medios mecánicos de conexión utiliza las ventajas ofrecidas de modo
que los condensadores se puedan conectar directamente conjuntamente
en una pila. Esto es especialmente valioso al construir un banco de
condensadores. Tal banco es entonces sumamente compacto y
flexible.
En una realización especialmente preferida, los
medios mecánicos de conexión incluyen el terminal de conexión
eléctrica del condensador de potencia, por lo que la unión de los
condensadores de potencia es especialmente simple y compacta. El
terminal de conexión eléctrica se forma así como un punto de
conexión mecánica, por ejemplo una junta roscada. Naturalmente, se
puede usar otras juntas equivalentes, tales como juntas de bayoneta,
juntas mecánicas, juntas de remache, juntas soldadas, etc.
En otra realización, el exterior de la caja está
provista de salientes, por ejemplo pestañas, para extender la
distancia de fuga si fuese necesario.
Las realizaciones preferidas del condensador
según la invención descrita anteriormente, y otros, se definen en
las reivindicaciones secundarias dependientes de la reivindicación
1.
Por medio del banco de condensadores definido en
la reivindicación 20, se obtienen ventajas similares a las
indicadas anteriormente con respecto al condensador de potencia
según la invención y sus realizaciones preferidas.
En una realización preferida del banco de
condensadores, los condensadores están aislados uno de otro
exclusivamente por cada caja de condensador. "Exclusivamente"
se entenderá aquí en el sentido de que no se dispone ningún
material aislante especial adicional. Naturalmente, no se excluye la
holgura. Un banco construido de esta forma utiliza así
favorablemente las ventajas que ofrece el condensador de potencia
según la invención y permite unir los condensadores del banco sin
aisladores intermedios. El banco es así sumamente compacto y
flexible.
Es especialmente ventajoso explotar la
posibilidad de apilar los condensadores axialmente uno encima de
otro para formar una unidad compacta.
Las anteriores y otras realizaciones ventajosas
del banco de condensadores según la invención se definen en las
reivindicaciones secundarias dependientes de la reivindicación
19.
El uso del condensador de potencia según la
invención en una planta eléctrica como el definido en la
reivindicación 23 implica utilizar los beneficios del condensador
de potencia en la planta. Así se puede lograr componentes muy
compactos, reduciendo por ello en gran medida el espacio requerido.
La generación de sonido también se reduce en gran medida. Además,
la construcción de los condensadores de potencia facilita su
instalación. Los condensadores pueden estar simplemente suspendidos
de un dispositivo de soporte. Su inmunidad a los terremotos y
fuertes influencias externas similares se incrementa así en gran
medida. Estos beneficios son especialmente intensos en algunos
contextos específicos, que constituyen así realizaciones preferidas
del uso según la invención.
Así, el uso de los condensadores de potencia
según la invención para transmitir potencia activa o reactiva a una
red de corriente continua o corriente alterna constituye una
realización preferida. La generación de potencia reactiva se deberá
realizar tan cerca de los puntos de consumo como sea posible con el
fin de evitar la potencia reactiva que haya que transportar larga
distancia mediante cables. En este caso, los condensadores
constituyen una alternativa más flexible que la generación de una
máquina síncrona. El condensador de potencia compacto según la
invención incrementa la flexibilidad y reduce las limitaciones
financieras, prácticas y técnicas relativas al deseo de colocarlos
lo más cerca posible del consumidor. Por lo tanto, con el
condensador de potencia según la invención, máquinas incluso
relativamente pequeñas pueden compensadas directamente sin que tal
solución sea antieconómica. Incluso con bancos grandes de
condensadores para carga no uniforme, con control automático por
tiristor, se obtiene mayor flexibilidad y compacidad. Así se amplía
el ámbito técnico-económico donde se pueden
utilizar.
Otro uso preferido es como condensador de
acoplamiento para transmitir señales de alta frecuencia mediante
líneas de potencia eléctrica, por ejemplo, transmisión de portadora
de telefonía. En la red principal se producen normalmente
conexiones de frecuencia de portadora en cada sección de un cable.
Es importante obtener correlación entre la protección del cable en
cada extremo del cable. Las frecuencias adecuadas están dentro de la
banda de onda larga (36-450 kHz). Las frecuencias
inferiores quedan reservadas para cables largos dado que la
supresión de señal incrementa con la frecuencia. En Suecia se usa
normalmente una conexión bifásica al cable, con la ayuda de un
condensador de acoplamiento o transformador de voltaje de
condensador. Se insertan bloques en el circuito de corriente
principal dentro del punto de acoplamiento, y estos deben resistir
la corriente de carga del cable y la corriente de cortocircuito.
Bloquearán la banda de frecuencia usado para las conexiones en el
cable. Solamente se usa una banda lateral modulada para la conexión.
Se suprime la onda portadora, así como una banda lateral. Con un
condensador de potencia según la invención, el potencial aumenta
para utilizar la red de líneas de potencia para telefonía.
Otro uso preferido es utilizar el condensador de
potencia en un voltaje de condensador dividido en un transformador
de voltaje de condensador. Con la compacidad y simplicidad obtenidas
con el condensador de potencia según la invención, aumenta la zona
de aplicación para usar el condensador para transformación de
voltaje.
Según otro uso preferido, se utiliza(n)
uno o más condensadores de potencia según la invención como
cambiador/inversor de corriente estática de voltaje rígido. Un
ámbito importante de aplicación de estos es en la transmisión de
corriente continua de alto voltaje (HVDC). Tal transmisión se ha
utilizado durante mucho tiempo casi exclusivamente para transmitir
potencia sumamente alta a distancias largas. Recientemente, sin
embargo, se utilizan inversores de voltaje rígido para HVDC. Esto,
juntamente con el uso de semiconductores de óxido metálico en lugar
de rectificadores de tiristor, ha dado lugar a un aumento del
ámbito económicamente razonable para transmisión HVDC hasta un solo
megavatio. Gracias a sus propiedades favorables, como compacidad,
simplicidad y bajo costo, un condensador de potencia según la
invención contribuye a aumentar más la zona de aplicación para
transmisión HVDC y a que sea una alternativa más competitiva que la
transmisión de corriente alterna convencional y la generación local
en comunidades remotas. Esta técnica también abre nuevas
posibilidades para mejorar la calidad de voltaje en la red CA. El
reducido nivel sonoro con un condensador según la invención es
especialmente significativo en esta aplicación debido a la
existencia de armónicos eléctricos.
Según otro uso preferido, el condensador de
potencia se utiliza en un cambiador/inversor de corriente estática
de corriente rígida. Son aplicaciones importantes el cambio de
corriente de red conmutada para HVDC, la operación de motores a
menudo basada en seis pulsos y rectificador de electrolisis donde a
menudo se conectan en paralelo dos rectificadores de seis pulsos.
En este contexto la compacidad, flexibilidad, resistencia y bajo
nivel acústico del condensador de potencia son muy importantes.
Otra realización preferida de la invención
constituye el uso del condensador de potencia en un banco de
condensadores en un filtro CA o en un filtro CC. En tal aplicación
es imperativo tener condensadores conectados en serie. A menudo es
deseable tener un efecto condensador grande para una fabricación de
buena calidad. Gracias a su construcción compacta e idoneidad para
conexión en serie, el condensador de potencia descrito es
especialmente adecuado para uso en filtración. También permite gran
flexibilidad para sintonización óptima.
En una realización preferida del uso en un
filtro, éste está sintonizado. En tal aplicación las ventajas
mencionadas anteriormente son de especial interés.
Otra realización preferida del uso del
condensador de potencia según la invención es como condensador en
serie en una planta de condensadores compensados en serie. También
ésta es una aplicación en la que las cualidades del condensador de
potencia según la invención son especialmente ventajosas.
La invención se describirá mejor en la
descripción detallada siguiente de sus realizaciones ventajosas con
referencia a los dibujos acompañantes.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 1 es una vista esquemática en
perspectiva de un condensador según una primera realización de la
invención.
La figura 2 ilustra un detalle de la figura
1.
La figura 3 constituye un gráfico que ilustra el
desarrollo de calor en un condensador según la invención.
La figura 4 es una vista en sección parcial
radial ampliada del detalle en la figura 2.
La figura 4a es una vista en sección
correspondiente a la figura 4, pero ilustrando una realización
alternativa.
La figura 4b es una vista en sección
correspondiente a la figura 4, pero ilustrando otra realización
alternativa.
La figura 5 es una vista en sección longitudinal
a través de un elemento condensador según una realización
alternativa.
La figura 6 representa dos elementos
condensadores representados en la figura 5, conectados
conjuntamente.
La figura 7 es una vista esquemática del lado de
un condensador según otra realización de la invención.
La figura 8 ilustra un detalle de una
realización del condensador según la invención.
La figura 9 ilustra una pila de condensadores
según la invención.
La figura 10 representa una parte de un banco de
condensadores formado por condensadores según la invención.
La figura 11 es una vista en perspectiva de una
planta de energía eléctrica con un banco de condensadores
convencional.
La figura 12 es una vista correspondiente a la
figura 11, pero con un banco de condensadores según la
invención.
Las figuras 13-20 ilustran
varios ejemplos de aplicación del condensador de potencia según la
invención.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 1 representa en principio el diseño de
un condensador según la invención. Consta de una caja exterior 1 de
polietileno que encierra, en este caso, cuatro elementos
condensadores 2a-2d. La caja 1, como los elementos
condensadores 2a-2d, es
circular-cilíndrica. Los elementos condensadores
2a-2d están conectados en serie. Unos terminales de
conexión 3, 4 están dispuestos en cada extremo del condensador. Cada
terminal consta de una lámina conductora montada en el material de
la caja y que se extiende a su través. Un gel 10 está dispuesto
entre los elementos condensadores 2a-2d y la caja.
El gel sirve como aislamiento eléctrico y conductor térmico.
La figura 2 representa un elemento condensador
individual incluyendo películas poliméricas recubiertas de metal
herméticamente laminadas en un rollo. El elemento condensador 2
tiene un agujero que se extiende axialmente 6 en el centro a su
través, que puede ser usado para enfriar el elemento. Las
dimensiones típicas de tal elemento condensador son un diámetro de
100-300 mm, un diámetro de agujero de
20-90 mm, preferiblemente al menos 30 mm, y una
altura de 50-800 mm. Tal elemento condensador se ha
previsto para un voltaje de aproximadamente 1-15
kV. Un elemento condensador con un diámetro de 200 mm, un diámetro
de agujero de 60 mm y una altura de 150 mm, por ejemplo, se ha
previsto para un voltaje de aproximadamente 4-10 kV.
Así se obtiene hasta 40 kV con cuatro de estos condensadores
conectados en serie, como se representa en la figura 1, y 80 kV con
ocho elementos condensadores, etc.
Se producen pérdidas térmicas en el elemento
condensador 2, dando lugar a calentamiento interno del elemento. La
temperatura máxima es crítica para el dimensionamiento eléctrico. La
temperatura más alta impone un menor esfuerzo, que da lugar a menor
salida por unidad de volumen, es decir, tiene una influencia
considerable en el consumo de material y el costo. En un volumen
cilíndrico con generación homogénea de calor, y sin agujero en el
centro, el perfil de temperatura en dirección radial adquirirá un
aspecto asintótico como indica la curva discontinua en la figura 3.
Si el elemento condensador está provisto de un agujero central 6 con
radio Ri, el perfil de temperatura seguirá la curva continua en la
figura 3. También es posible enfriamiento forzado, si es necesario.
El perfil de temperatura obtenido será entonces el que indica la
línea de puntos en la figura 3. El agujero central 6 en cada
elemento condensador 2 también puede ser utilizado para alinear en
el centro los elementos condensadores. En este caso los elementos
condensadores se enroscan sobre un tubo de centrado que se extiende
a través de todos los elementos condensadores.
La figura 4 representa una vista en sección
parcial radial ampliada del elemento condensador de la figura 2.
La sección parcial representa dos vueltas adyacentes de la película
recubierta con metal. La película 8a y 8b, respectivamente, tiene
aproximadamente 10 \mum de grosor y el material es polipropileno.
La capa de metal 9a, 9b tiene aproximadamente 10 nm de grosor y
consta de aluminio o zinc o su mezcla, que se ha vaporizado sobre
la película de polipropileno antes de la laminación. Con tal
película metalizada se puede alcanzar un esfuerzo eléctrico E del
orden de 250 V/\mum. La técnica de fabricar un elemento
condensador de esta forma ya es conocida y, por lo tanto, es
superflua una descripción más detallada. Alternativamente los
elementos condensadores se pueden construir usando tecnología de
película donde la película de propileno y la lámina de aluminio se
laminan conjuntamente. Sin embargo, el uso de película metalizada
tiene la ventaja del autocurado y permite un esfuerzo eléctrico más
alto y mayor densidad de energía que con la tecnología de lámina de
película.
La capa de metal cubre la película de plástico
desde un borde lateral hasta una corta distancia de su otro borde
lateral. Una zona aleatoria 16a de la película 8a carece así de
recubrimiento metálico. De manera similar, una zona aleatoria 16b
de la película 8b carece de recubrimiento metálico. Sin embargo, la
zona aleatoria expuesta 16b de la película 8b está en el borde de
extremo opuesto al de la película 8a. La conexión eléctrica de la
capa 9a se obtiene en el extremo superior del elemento, visto en el
dibujo, y en el extremo inferior de la capa 9b de modo que se
obtenga un electrodo más en una dirección y un electrodo menos en la
otra. Para asegurar un contacto eléctrico eficiente, las porciones
de extremo se pueden rociar con zinc.
En la realización modificada representada en la
figura 4a, el elemento condensador tiene una conexión interior en
serie. Aquí la capa de metal 9a, 9b en cada película de plástico 8a,
8b se divide en dos porciones 9a', 9a'' y 9b', 9b'',
respectivamente, separadas por una parte no recubierta 17a, 17b,
respectivamente. También es posible dividir las capas metálicas en
más de dos porciones. Cada par de porciones de capa metálica, por
ejemplo 9a' y 9b', forma un elemento condensador parcial que está
conectado en serie.
La figura 4b representa una variante de la
realización modificada, donde la capa de metal 9a solamente en una
película de plástico 8a se divide en dos partes 9a', 9a' separadas
por una parte no recubierta 17a, mientras 1.que la capa de metal 9b
en la otra película de plástico 8b no se divide. Cada una de las
partes 9a' y 9a' se extiende al borde de la película 8b de modo que
la conexión eléctrica en este caso tenga lugar en la misma película
8b. La capa de metal 9b en la otra película de plástico termina en
ambos lados a corta distancia 16a, 16b del borde de la película y
así no se conecta eléctricamente en ninguna dirección.
La figura 5 representa una vista en sección
longitudinal de una realización alternativa de un elemento
condensador 2' según la invención. El elemento condensador se
divide en tres sub-elementos 201, 202, 203 que son
concéntricos con el eje común designado A. El
sub-elemento exterior 201 es sustancialmente
tubular, con un lado interior 204 rodeando el
sub-elemento intermedio 202 con un pequeño espacio.
El sub-elemento intermedio tiene igualmente un lado
interior 205 que rodea estrechamente el sub-elemento
interior 203. El sub-elemento interior 203 tiene un
canal central 206 que se extiende a su través. Los tres
sub-elementos tienen diferente grosor radial,
teniendo el exterior el grosor más pequeño. Los
sub-elementos tienen así sustancialmente la misma
capacitancia. El aislamiento 207 se dispone entre los
sub-elementos.
Los sub-elementos están
conectados en serie. Dos sub-elementos radialmente
adyacentes tienen uno de sus puntos de acoplamiento en el mismo
extremo. El sub-elemento exterior 201 se conecta así
por el elemento de acoplamiento 210 al sub-elemento
intermedio 202 en un extremo del elemento condensador 2', y el
sub-elemento intermedio 202 está conectado por el
elemento de acoplamiento 211 al sub-elemento
interior 203 en el otro extremo del elemento condensador 2'. Esto
significa que las conexiones 212, 213 para el elemento condensador
2' están situadas en sus extremos opuestos.
Si el número de sub-elementos es
superior a tres, por ejemplo cinco o siete, la conexión de los
puntos de acoplamiento en los extremos de los
sub-elementos se continúa alternativamente de la
misma forma.
La figura 6 ilustra cómo una pluralidad de
elementos condensadores del tipo representado en la figura 5 se
pueden conectar conjuntamente en serie. La figura representa dos de
tales elementos condensadores 2'a, 2'b. La conexión 212 del
elemento condensador inferior 2'b en el extremo superior del
sub-elemento interior 203 está acoplado a la
conexión 213 del elemento condensador superior 2'a en el extremo
inferior del sub-elemento exterior 201. El
aislamiento 214 está dispuesto entre los elementos condensadores con
el fin de tratar las diferencias de potencial que tienen lugar en
este tipo de elemento condensador.
La figura 7 representa una realización
alternativa en la que la caja 1' está provista por fuera de ranuras
11 que constituyen salientes que extienden la corriente de fuga.
La figura 8 representa el extremo superior de la
caja 1a para un condensador según la invención. Éste está conectado
a la parte inferior de un condensador idéntico 1b por medio de
medios mecánicos de conexión 13 y unos medios de conexión
suplementarios 14 en el condensador superior. Los medios de conexión
13 y 14 son de metal y están conectados eléctricamente a
respectivos terminales de conexión eléctrica 3, 4 (véase la figura
1). Los medios de conexión están dimensionados para poder construir
una pila de condensadores de manera estable, sin necesidad de
ningún otro elemento de soporte. Los dos medios de conexión están
fijados uno a otro por medio de varios tornillos 15.
La figura 9 representa cómo se puede combinar
así una pila de condensadores 1a-1d.
La figura 10 ilustra cómo se combina una
pluralidad de condensadores con cajas cilíndricas 1 según la
invención para formar un banco de condensadores 12. Igualmente, se
puede combinar una pluralidad de pilas de condensadores como se
representa en la figura 9. El banco también puede incluir una
pluralidad de tales filas de condensadores.
Las figuras 11 y 12 ilustran una comparación
entre una planta con un banco de condensadores convencionales, y
una planta similar con un banco de condensadores según la invención.
El diseño convencional se ilustra en la figura 11 donde una
construcción en forma de caja 100 contiene un banco de condensadores
formado por condensadores de potencia convencionales 102, pilas de
rectificadores 103 con tiristores 104 y con casquillos de cable
105.
La planta equivalente provista de un banco de
condensadores 111 con condensadores de potencia 112 según la
invención se ilustra en la figura 12. En otros aspectos las pilas de
rectificadores 113 con tiristores 114, así como los casquillos de
cable 115, se fabrican de la misma forma que en la planta
representada en la figura 11. El condensador de potencia 112 tiene
forma de cilindros tubulares alargados suspendidos de una parte de
soporte en la construcción 110. Como se puede ver en los dibujos, el
espacio requerido para el banco de condensadores 111 es
considerablemente menor que para el banco de condensadores 101 de
tipo convencional. Por lo tanto, la construcción se puede hacer
varios metros más corta para una planta según la invención. La
planta ilustrada es para una aplicación de 150 kV.
La figura 13 representa una red a una estación
de consumo, provista de bancos de condensadores para generar
potencia reactiva a varios niveles en la red. Cada banco de
condensadores se construye según los principios mostrados en las
figuras 1-8. El banco 18 está dispuesto para
compensación directa de un objeto individual, en este caso un motor
22. El banco 19 está dispuesto para compensación de grupo y así
genera potencia reactiva para varias cargas: los motores 23 y 24.
Esto puede ser adecuado cuando varias máquinas pequeñas tienen un
punto de salida común y operación uniforme. 20 designa un banco de
condensadores con control automático con tiristores. El sistema
automático conecta y desconecta varios condensadores paralelos en
pasos según la demanda variable de potencia reactiva. Un
condensador de potencia según la invención también se usa en el lado
de alto voltaje de la red. Tal condensador de potencia se ilustra
en 21 en la figura.
La figura 14 representa el principio para
transformar voltaje con la ayuda de condensadores en un
transformador de voltaje de condensadores. Un banco de
condensadores 27, 28 con condensadores de potencia según la
invención está dispuesto en cada bifurcación 25, 26 de modo que
funcionen como divisores de voltaje. Se obtiene un voltaje
U_{out} en la línea de salida, siendo su relación al voltaje
entrante U_{in} la representada en la ecuación:
La figura 15 ilustra el principio de cómo el
condensador de potencia según la invención se usa en un
cambiador/inversor de corriente estática de voltaje rígido. La
figura representa una fase de tal inversor con aplicación de
tecnología PWM (modulación por anchura de pulso). El voltaje
alternativo, U_{AC}, se produce a través de cambio de alta
frecuencia entre dos voltajes fijos, U_{DC} y U_{SW}. Los dos
condensadores CC 28, 29 del circuito se componen de uno o más
condensadores de potencia según la invención. Cada bifurcación 35,
36 está conectada mediante su IGBT (transistor bipolar de puerta
aislada) 30, 31 al cable CA 34, al que está conectado un filtro 33.
Un IGBT incluye un óxido metálico semiconductor que requiere un
mínimo de potencia de accionamiento.
La figura 16 ilustra un ejemplo de aplicación de
la tecnología en la figura 15, representándose los componentes
principales en un enlace de transmisión de este tipo. La conexión de
cable se ha previsto en puntos 37, 38 y los dos condensadores CC,
designados 39, 40, están provistos de condensadores de potencia
según la invención. Otros componentes vitales son los filtros 41,
reactores convertidores de corriente estática 42 y rectificadores
convertidores de corriente estática 43.
La figura 17 representa un puente con los
devanados de transformador para un rectificador de corriente rígida
que tiene dos grupos de seis pulsos 48, 49 donde los voltajes
alternos se han desplazado 30º con un acoplamiento Y/D. Los
inductores son suficientemente grandes para mantener la corriente
sustancialmente constante, es decir, de corriente rígida. La
corriente continua está conectada entre las varias fases.
La figura 18 representa cómo el rectificador de
corriente rígida en la figura 17 está provisto de equipo de filtro
con condensadores de potencia 50-53 según la
invención. En los filtros 54 y 55 los condensadores de potencia
están sintonizados con reactores sintonizables 57, 58 a circuitos de
resonancia en serie. El filtro 56 es de doble sintonización e
incluye reactores 59, 60 y resistencias 61, 62. El equipo de
filtración filtra los armónicos. Estos circulan dentro de la
estación de cambiadores de corriente estática en lado del voltaje
alterno y el lado del voltaje continuo. Sin embargo, la figura
representa solamente el filtro CA. Los condensadores de potencia en
el filtro también generan potencia reactiva, que compensa el consumo
de potencia reactiva que el cambiador de corriente estática
introduce, retardando la corriente.
La figura 19 ilustra esquemáticamente la
construcción de un filtro sintonizado con un reactor 46 y un banco
de condensadores 47. El banco de condensadores está formado por
condensadores de potencia conectados en serie del tipo descrito en
la presente solicitud de patente. El reactor 46 y el banco de
condensadores en el ejemplo están sintonizados de modo que la
frecuencia de resonancia entre ellos, es decir, la frecuencia de
sintonización del circuito compensador, esté justamente por debajo
del quinto armónico.
La figura 20 ilustra un cambiador de corriente
estática provisto de un grupo de condensadores compensados en serie
(ccc). Cada banco de condensadores de potencia 63, 64 está conectado
en serie en el circuito de conmutación entre el transformador 65 y
los rectificadores 66, 67. Debido a la inductancia del
transformador, la corriente no se alterará de forma instantánea,
sino a lo largo de un cierto período de tiempo. El condensador en
serie gira el voltaje, compensado así la potencia reactiva. La
planta también está provista de filtro CA 68 y filtro CC 69.
Las plantas de potencia eléctrica descritas
anteriormente son solamente ejemplos de aplicaciones en las que el
condensador de potencia según la invención aporta ventajas
considerables. Se deberá entender que la invención no se limita a
los ejemplos descritos.
Claims (31)
1. Un condensador de potencia para alto voltaje
incluyendo al menos un elemento condensador (2a-2d)
encerrado en una caja (1), donde cada elemento condensador tiene
una forma sustancialmente circular-cilíndrica y el
interior de la caja (1) tiene una forma sustancialmente
circular-cilíndrica correspondiente con el fin de
rodear estrechamente cada elemento condensador
(2a-2d), cada elemento condensador está orientado
con la dirección axial coincidiendo con la dirección axial de la
caja, siendo la caja (1) de material aislante eléctrico y estando
provista de un terminal de conexión eléctrica (3, 4) dispuesto en
cada extremo de la caja (1), por lo que la caja propiamente dicha
constituye aislamiento entre los terminales de conexión, y cada
elemento condensador (2a-2d) tiene un canal central
(6) que se extiende a través de él en dirección axial, formando
conjuntamente los canales pasantes de los elementos un canal pasante
entre los dos extremos de la caja (1).
2. Un condensador de potencia según la
reivindicación 1, caracterizado porque la caja se hace de un
polímero, preferiblemente polietileno.
3. Un condensador de potencia según la
reivindicación 1, caracterizado porque la distancia de fuga
entre los terminales de conexión (3, 4) es al menos igual a la
longitud de la caja (1).
4. Un condensador de potencia según cualquiera
de las reivindicaciones 1-3, caracterizado
porque la caja (1) encierra uno o más elementos condensadores
(2a-2d) conectados en serie.
5. Un condensador de potencia según la
reivindicación 4, caracterizado porque cada terminal de
conexión (3, 4) incluye un conductor eléctrico fijado en el
material de la caja y que se extiende desde el interior al exterior
de la caja.
6. Un condensador de potencia según la
reivindicación 1, caracterizado porque dicho canal pasante
(6) tiene un diámetro mayor que 30 mm.
7. Un condensador de potencia según cualquiera
de las reivindicaciones 1-6, caracterizado
porque al menos un elemento condensador (2') incluye una pluralidad
de sub-elementos (201-203)
dispuestos concéntricamente uno con relación a otro, teniendo el
sub-elemento exterior de los
sub-elementos radialmente adyacentes un canal
central extendiéndose través de él que es de forma sustancialmente
circular-cilíndrica y que rodea estrechamente el
sub-elemento interior.
8. Un condensador de potencia según la
reivindicación 7, caracterizado porque el número de
sub-elementos (201-203) en un
elemento condensador (2') es impar y porque están conectados en
serie uno con otro.
9. Un condensador de potencia según cualquiera
de las reivindicaciones 1-8, caracterizado
porque al menos un elemento condensador (2a-2d)
incluye al menos dos cintas alargadas de película de polímero (8)
recubiertas de metal (9) colocada una encima de la otra y laminadas
conjuntamente en dirección longitudinal, es decir con el menor
intervalo posible entre las vueltas de la película, y donde los
recubrimientos metálicos (9) constituyen los electrodos del
elemento condensador.
10. Un condensador de potencia según la
reivindicación 9, caracterizado porque dichas cintas
alargadas están formadas de modo que los recubrimientos metálicos
(9a', 9a', 9b', 9'') estén dispuestos en varias zonas alargadas con
zonas no recubiertas (17a, 17b) entre ellas, variando la posición y
anchura de las zonas recubiertas con metal alternativamente en dos
cintas adyacentes de modo que se formen condensadores parciales
conectados en serie dentro del elemento condensador.
11. Un condensador de potencia según la
reivindicación 10, caracterizado porque al menos tres
condensadores parciales conectados en serie están formados dentro
de cada elemento condensador.
12. Un condensador de potencia según cualquiera
de las reivindicaciones 10-11, caracterizado
porque la película de polímero (8) es de polipropileno y el metal
(9) es aluminio y/o zinc.
13. Un condensador de potencia según la
reivindicación 12, caracterizado porque el grosor de la
película es 1-15 \mu, el grosor de la capa de
metal (9) es 2-20 nm y la capa de metal se aplica
por medio de vaporización.
14. Un condensador de potencia según cualquiera
de las reivindicaciones 1-13, caracterizado
porque es un condensador seco.
15. Un condensador de potencia según cualquiera
de las reivindicaciones 1-14, caracterizado
porque un gel (10) rodeando los elementos condensadores
(2a-2d) está dispuesto en la caja.
16. Un condensador de potencia según cualquiera
de las reivindicaciones 1-15, caracterizado
porque la caja (1) está dispuesta en un extremo con medios
mecánicos de conexión (13) dispuestos para conexión directa con
unos medios de conexión correspondientes (14) en un condensador de
potencia adyacente.
17. Un condensador de potencia según la
reivindicación 16, caracterizado porque los medios mecánicos
de conexión están diseñados como un terminal de conexión
eléctrica.
18. Un condensador de potencia según cualquiera
de las reivindicaciones 1-17, caracterizado
porque el exterior de la caja (1') está provisto de salientes (11)
para extender la corriente de fuga.
19. Un banco de condensadores (12) incluyendo
una pluralidad de condensadores de potencia del tipo definido en
cualquiera de las reivindicaciones 1-18.
20. Un banco de condensadores según la
reivindicación 19, caracterizado porque los condensadores
están aislados eléctricamente uno de otro exclusivamente por cada
caja de condensador (1).
21. Un banco de condensadores según cualquiera
de las reivindicaciones 19-20, caracterizado
porque el banco incluye una pluralidad de condensadores de potencia
dispuestos axialmente en línea uno con otro para formar una pila de
condensadores.
22. Un banco de condensadores según la
reivindicación 21, caracterizado porque los condensadores de
potencia en la pila están conectados mecánicamente por medio de
terminales de conexión eléctrica dispuestos en el extremo de cada
caja (1a-1d).
23. El uso de uno o más condensadores de
potencia según cualquiera de las reivindicaciones
1-113 como componentes en una planta eléctrica.
24. El uso de uno o más condensadores de
potencia según cualquiera de las reivindicaciones
1-18 para transmitir potencia activa o reactiva a
una red de corriente continua o corriente alterna.
25. El uso de uno o más condensadores de
potencia según cualquiera de las reivindicaciones
1-18 en un condensador de acoplamiento para
transmitir señales de alta frecuencia mediante líneas de potencia
eléctrica.
26. El uso de uno o más condensadores de
potencia según cualquiera de las reivindicaciones
1-18 en un divisor de voltaje de condensador en un
transformador de voltaje de condensador.
27. El uso de uno o más condensadores de
potencia según cualquiera de las reivindicaciones
1-18 en un cambiador/inversor de corriente estática
de voltaje rígido.
28. El uso de uno o más condensadores de
potencia según cualquiera de las reivindicaciones
1-18 en un cambiador/inversor de corriente estática
de corriente rígida.
29. El uso de uno o más condensadores de
potencia según cualquiera de las reivindicaciones
1-18 en un banco de condensadores en un filtro CA o
en un filtro CC.
30. El uso según la reivindicación 29 donde el
filtro está sintonizado.
31. El uso de uno o más condensadores de
potencia según cualquiera de las reivindicaciones
1-78 en una planta de condensadores compensados en
serie.
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