¿Cuáles son las diferencias entre los reactores en serie y los reactores en derivación?

¿Cuáles son las diferencias entre los reactores en serie y los reactores en derivación?

Un reactor en un sistema eléctrico es esencialmente un inductor: una bobina de conductor enrollada alrededor de un núcleo magnético o de aire, que se opone a los cambios en la corriente. Sin embargo, la ubicación del reactor dentro del circuito determina por completo su función, su dimensionamiento y sus requisitos de protección. Los reactores en serie y los reactores en derivación comparten el mismo principio electromagnético fundamental, pero cumplen funciones opuestas en la estabilidad de la red.

Topología de conexión: La distinción fundamental

Un reactor en serie se conecta en serie con el equipo protegido, normalmente un interruptor automático, una sección de barra, un banco de condensadores o una línea de transmisión. La corriente de carga fluye continuamente a través del reactor. La impedancia del reactor limita la velocidad de aumento de la corriente durante una falla, reduciendo la corriente máxima de falla que debe interrumpir el interruptor automático aguas abajo. Esto permite utilizar interruptores automáticos con valores nominales de interrupción más bajos, lo que reduce el costo de capital de la subestación. Un reactor en serie con una impedancia nominal del 6 % en una alimentación de 10 MVA y 11 kV limita la corriente de falla prevista, pasando de un valor teórico de 40 kA a aproximadamente 25 kA.

Un reactor en derivación se conecta en paralelo, desde la línea o el bus hasta tierra, o entre fases. Bajo condiciones normales, no circula corriente de vacío a través del reactor. En cambio, el reactor en derivación absorbe potencia reactiva del sistema, compensando la potencia reactiva capacitiva generada por líneas de transmisión largas y cables subterráneos durante condiciones de carga ligera. Sin compensación en derivación, el voltaje en el extremo receptor de una línea de 500 kV con carga ligera puede elevarse hasta 1,15 por unidad o más, superando los límites de coordinación de aislamiento de los transformadores y equipos de conmutación conectados.

Diseño del núcleo y comportamiento de saturación

Los reactores en serie no deben saturarse bajo condiciones de corriente de cortocircuito, porque un reactor saturado pierde su función limitadora de corriente precisamente cuando dicha función es más necesaria. Los reactores en serie de núcleo de aire eliminan por completo el riesgo de saturación, ya que el aire posee una curva B-H perfectamente lineal independientemente de la magnitud de la corriente. La contrapartida es el tamaño físico: un reactor de núcleo de aire que ofrece una impedancia del 6 % a 11 kV ocupa aproximadamente tres veces el volumen de un diseño equivalente con núcleo de hierro.

Los reactores en serie de núcleo de hierro con núcleos ranurados ofrecen una mayor inductancia por unidad de volumen, pero requieren un diseño cuidadoso de la ranura de aire para mantener la linealidad hasta la corriente de cortocircuito nominal. La ranura está construida con material no magnético —típicamente fibra de vidrio impregnada con epoxi— y su espesor se calcula para mantener la densidad máxima de flujo magnético por debajo de 1,6 tesla en la corriente asimétrica máxima de cortocircuito, que puede alcanzar 2,5 veces el valor eficaz simétrico de la corriente de cortocircuito.

Los reactores en derivación suelen utilizar una construcción con núcleo de hierro ranurado porque operan continuamente a tensión nominal y el requisito de linealidad es menos estricto. La ranura estabiliza la inductancia frente a variaciones de tensión y evita la saturación durante las sobretensiones transitorias que los reactores en derivación están diseñados para mitigar.

Requisitos de Protección

Los reactores en serie requieren protección diferencial para detectar fallas internas entre espiras: un cortocircuito en el devanado que salta unas pocas espiras modifica la impedancia del reactor en una fracción de porcentaje, lo cual no puede detectarse mediante relés de sobrecorriente. El esquema diferencial compara la corriente en ambos terminales del reactor; cualquier diferencia que supere el umbral de ajuste abre el correspondiente interruptor automático.

Los reactores en derivación en los sistemas de transmisión requieren protección contra sobretensiones y, con frecuencia, incluyen un reactor neutro para el cierre monofásico automático en líneas compensadas en derivación. Los relés Buchholz detectan la acumulación interna de gas provocada por la ruptura del aislamiento: es la línea de defensa inicial estándar para los reactores en derivación sumergidos en aceite. Los reactores en derivación de tipo seco, operando a tensiones de distribución, dependen de la protección contra sobrecarga térmica basada en la simulación de la temperatura del devanado a partir de la corriente medida.

Criterios de Selección de Aplicación

Seleccionar un reactor en serie implica especificar la corriente nominal (la corriente de carga continua), el porcentaje de impedancia (el objetivo de limitación de la corriente de cortocircuito) y la capacidad de corriente térmica de corta duración (normalmente 1 segundo o 3 segundos a la corriente de cortocircuito limitada). El reactor debe soportar tanto las fuerzas térmicas como mecánicas de un cortocircuito cercano sin deformarse.

Seleccionar un reactor en derivación implica especificar la tensión nominal, la potencia reactiva nominal en MVAr y el tipo de conexión: conexión en estrella con neutro sólidamente conectado a tierra para aplicaciones de transmisión, o conexión en triángulo para compensación en devanados terciarios de grandes transformadores de potencia. La potencia reactiva nominal en MVAr se calcula a partir de la corriente capacitiva de carga de la línea al nivel de compensación deseado, normalmente del 60 % al 80 % para reactores conectados continuamente y del 100 % para unidades conmutables.

Caso: La integración de un parque eólico requiere ambos tipos de reactores

Un parque eólico de 150 MW en una región remota, conectado a la red mediante una línea aérea de 45 kilómetros y 220 kV, enfrentó dos desafíos simultáneos: una corriente de cortocircuito elevada en el punto de conexión que superaba las capacidades de cortocircuito del transformador elevador de los aerogeneradores, y un aumento de tensión superior a 1,10 por unidad durante condiciones de bajo viento y baja carga, debido a la corriente capacitiva de carga de la línea. El equipo de ingeniería especificó un reactor en serie en la barra de acoplamiento de la subestación colectora para limitar la corriente de cortocircuito, y un reactor en derivación de 20 MVAr en el punto de conexión común para absorber la potencia reactiva capacitiva. La instalación combinada de reactores, suministrada por un fabricante integrado de equipos eléctricos, resolvió ambas restricciones dentro de un único ciclo de proyecto.

Preguntas frecuentes

¿Puede un reactor cumplir funciones tanto en serie como en derivación?

No. El diseño físico, la coordinación del aislamiento y los requisitos de protección son fundamentalmente distintos. Un reactor individual conectado de una u otra forma desempeña únicamente una función. Las instalaciones que requieren ambas funciones necesitan dos unidades de reactor independientes.

¿Qué ocurre si un reactor en serie se satura durante una falla?

El reactor pierde su impedancia limitadora de corriente, permitiendo que la corriente de falla aumente hasta su nivel previsto. El interruptor de circuito aguas abajo, dimensionado suponiendo que el reactor limita la corriente, podría no lograr interrumpir la falla. Por eso, la prevención de la saturación constituye la restricción principal de diseño para los reactores en serie.

¿Cómo se conecta y desconecta un reactor en derivación?

Los reactores en derivación de nivel de transmisión se conmutan mediante interruptores de potencia dedicados o desconectadores. La tensión de recuperación transitoria durante la conmutación es severa porque la corriente inductiva del reactor se retrasa casi 90 grados respecto a la tensión, lo que dificulta la interrupción de la corriente en los cruces naturales por cero. Los controladores de conmutación sincrónica minimizan esta tensión.

¿Qué mantenimiento requieren los reactores?

Los reactores de tipo seco con núcleo de aire requieren mantenimiento mínimo: inspección visual anual para detectar seguimiento superficial o contaminación, y escaneo termográfico de los puntos de conexión. Los reactores sumergidos en aceite requieren análisis de gases disueltos anualmente y ensayos dieléctricos del aceite cada 2–3 años, similares a los realizados en transformadores de potencia.

¿Cómo se especifica la impedancia del reactor?

Como un porcentaje de la impedancia base del sistema a la tensión y potencia aparente nominales. Un reactor del 6 % en una base de 10 MVA y 11 kV produce aproximadamente 0,73 ohmios de reactancia. Valores porcentuales más altos ofrecen una mayor limitación de la corriente de cortocircuito, pero también incrementan la caída de tensión en régimen permanente.

¿De dónde se pueden obtener ambos tipos de reactores de un solo proveedor?

Fabricantes integrados de equipos eléctricos, como Liaoning Sinotech Group, que suministran paquetes completos para subestaciones —desde transformadores hasta equipos de conmutación y equipos de compensación— ofrecen tanto reactores en serie como en derivación desde un único equipo de ingeniería, lo que simplifica la coordinación de las especificaciones y el soporte posventa.