Causas de modos asimétricos en redes eléctricas

Un sistema de voltaje trifásico simétrico se caracteriza por voltajes idénticos en magnitud y fase en las tres fases. En modos asimétricos, los voltajes en las diferentes fases no son iguales.

Los modos asimétricos en las redes eléctricas surgen por las siguientes razones:

1) cargas desiguales en diferentes fases,

2) funcionamiento incompleto de líneas u otros elementos de la red,

3) diferentes parámetros de línea en diferentes fases.

Muy a menudo, el desequilibrio de voltaje ocurre debido a la desigualdad de las cargas de fase. Dado que la causa principal del desequilibrio de tensión es la diferencia de fase (carga desequilibrada), este fenómeno es más característico de las redes eléctricas de baja tensión de 0,4 kV.

En las redes urbanas y rurales de 0,4 kV, la asimetría de tensión se produce principalmente por la conexión de luminarias monofásicas y consumidores eléctricos domésticos de baja potencia. El número de tales consumidores de energía monofásicos es grande y deben distribuirse uniformemente entre las fases para reducir el desequilibrio.

En las redes de alta tensión, la asimetría se produce, por regla general, por la presencia de potentes receptores eléctricos monofásicos y, en algunos casos, de receptores eléctricos trifásicos con consumo de fase desigual. Estos últimos incluyen hornos de arco para la producción de acero. Las principales fuentes de asimetría en las redes industriales de 0,38-10 kV son las instalaciones térmicas monofásicas, los hornos térmicos de mineral, los hornos de fusión por inducción, los hornos de resistencia y diversas instalaciones de calefacción. Además, los receptores eléctricos asimétricos son máquinas de soldar de diferente potencia. Las subestaciones de tracción del transporte ferroviario AC electrificado son una poderosa fuente de asimetría, ya que las locomotoras eléctricas son receptores eléctricos monofásicos. La potencia de los receptores eléctricos monofásicos individuales alcanza actualmente varios megavatios.

Hay dos tipos de asimetría: sistemática y probabilística o aleatoria. La asimetría sistemática es causada por la sobrecarga constante no uniforme de una de las fases, la asimetría probabilística corresponde a cargas no constantes en las que las diferentes fases se sobrecargan en diferentes momentos dependiendo de factores aleatorios (asimetría periódica).

El funcionamiento incompleto de los elementos de la red se debe a una desconexión breve de una o dos fases durante un cortocircuito o una desconexión más prolongada durante las reparaciones por etapas. Una sola línea puede estar equipada con dispositivos de control de fase que desconectan la fase de la línea en falta en los casos en que falla la operación de reenganche automático debido a un cortocircuito sostenido.

La mayoría de los cortocircuitos estables son monofásicos.En este caso, la interrupción de la fase averiada conlleva la conservación de las otras dos fases de la línea en funcionamiento.

En una red con neutro puesto a tierra fuente de alimentación en una línea con una fase incompleta puede ser aceptable y le permite abandonar la construcción de un segundo circuito en la línea. Los modos de media fase también pueden ocurrir con los transformadores apagados.

En algunos casos, para un grupo compuesto por transformadores monofásicos, en el caso de una parada de emergencia de una fase, puede ser aceptable alimentar dos fases, en este caso, no se requiere la instalación de una fase de repuesto, especialmente si hay dos grupos de transformadores monofásicos en la subestación.

La desigualdad de los parámetros de las líneas de fase se produce, por ejemplo, en ausencia de transposición a lo largo de las líneas o de sus ciclos prolongados. Los soportes de transposición no son confiables y son una fuente de fallas. Reducir el número de soportes de transposición a lo largo de la línea reduce su daño y aumenta la confiabilidad. En este caso, se deteriora la alineación de los parámetros de fase lineal, por lo que se suele aplicar la transposición.

Efecto del desequilibrio de voltaje y corriente

La aparición de voltajes y corrientes de secuencia inversa y cero U2, U0, I2, I0 conduce a pérdidas adicionales de potencia y energía, así como pérdidas de voltaje en la red, lo que empeora los modos y los indicadores técnicos y económicos de su operación. Las corrientes de las secuencias inversa y cero I2, I0 aumentan las pérdidas en las ramas longitudinales de la red, y los voltajes y corrientes de las mismas secuencias, en las ramas transversales.

La superposición de U2 y U0 conduce a diferentes desviaciones de voltaje adicionales en diferentes fases. Como resultado, los voltajes pueden estar fuera de rango.La superposición de I2 e I0 conduce a un aumento de las corrientes totales en las fases individuales de los elementos de la red. Al mismo tiempo, sus condiciones de calentamiento se deterioran y la productividad disminuye.

El desequilibrio afecta negativamente las características operativas y técnico-económicas de las máquinas eléctricas rotativas. La corriente de secuencia positiva en el estator crea campo magnéticorotación con frecuencia síncrona en la dirección de rotación del rotor. Las corrientes de secuencia negativa en el estator crean un campo magnético que gira en relación con el rotor a una frecuencia sincrónica doble en la dirección opuesta de rotación. Debido a estas corrientes de dos frecuencias, se produce en la máquina eléctrica un par electromagnético de frenado y un calentamiento adicional, principalmente del rotor, lo que conduce a una reducción de la vida útil del aislamiento.

En los motores asíncronos, se producen pérdidas adicionales en el estator. En algunos casos, en el diseño, es necesario aumentar la potencia nominal de los motores eléctricos, si no se toman medidas especiales para equilibrar el voltaje.

En las máquinas síncronas, además de las pérdidas adicionales y el calentamiento del estator y el rotor, pueden comenzar vibraciones peligrosas. Debido al desequilibrio, la vida útil del aislamiento del transformador se acorta, los motores síncronos y los bancos de capacitores reducen la generación de energía reactiva.

El desequilibrio de voltaje en el circuito de suministro de la carga de iluminación conduce al hecho de que el flujo luminoso de las lámparas de una fase (fases) disminuye, y el de la otra fase aumenta, y la vida útil de las lámparas disminuye. El desequilibrio afecta a los receptores eléctricos monofásicos y bifásicos como desviación de tensión.

Los daños comunes causados ​​por la asimetría en las redes industriales incluyen el costo de las pérdidas de energía adicionales, el aumento de las deducciones de renovación de los costos de capital, el daño tecnológico, el daño causado por una disminución en el flujo luminoso de las lámparas instaladas en fases con tensión reducida y una reducción de la vida útil de las lámparas instaladas en fases con tensión aumentada, fallo por disminución de la potencia reactiva generada por bancos de condensadores y motores síncronos.

El desequilibrio de voltaje se caracteriza por el coeficiente de secuencia negativa de los voltajes y la relación cero de los voltajes, cuyos valores normales y máximos permisibles son 2 y 4%.

El equilibrio de los voltajes de la red se reduce a la compensación de voltaje y corriente de secuencia negativa.

Con una curva de carga estable, se puede lograr una reducción del desequilibrio de voltaje del sistema en la red al igualar las cargas de fase cambiando parte de las cargas de una fase sobrecargada a una sin carga.

La redistribución racional de las cargas no siempre permite reducir el coeficiente de desequilibrio de tensión a un valor aceptable (por ejemplo, cuando parte de los potentes receptores eléctricos monofásicos no funcionan todo el tiempo de acuerdo con la tecnología, así como durante las reparaciones preventivas y mayores). En estos casos, es necesario utilizar globos especiales.

Se conocen una gran cantidad de circuitos balun, algunos de ellos son controlados dependiendo de la naturaleza de la curva de carga.

Para equilibrar cargas monofásicas, un circuito que consta de inductancia y capacitancia… La carga y la capacitancia conectadas en paralelo con ella están conectadas al voltaje de línea. Los otros dos voltajes de línea incluyen una inductancia y otra capacitancia.

Para equilibrar cargas desequilibradas bifásicas y trifásicas, se utiliza un circuito de capacitancia desigual de bancos de condensadores conectados en un delta. A veces, los balunes se usan con transformadores especiales y autotransformadores.

Dado que los baluns contienen bancos de capacitores, es recomendable usar circuitos donde el modo esté balanceado y se genere Q para compensarlo. Se están desarrollando dispositivos para balanceo de modo simultáneo y compensación Q.

La reducción del desequilibrio en redes urbanas a cuatro hilos de 0,38 kV se puede realizar reduciendo la corriente homopolar I0 y reduciendo la resistencia homopolar Z0 en los elementos de la red.

La reducción de la corriente homopolar I0 se logra principalmente mediante la redistribución de las cargas. La compensación de carga se logra mediante el uso de redes en las que todos o parte de los transformadores operan en paralelo en el lado de baja tensión. Se puede lograr fácilmente una reducción de la resistencia de secuencia cero Z0 para líneas aéreas de 0,38 kV, que generalmente se construyen en áreas con baja densidad de carga. La posibilidad de reducir Z0 para las líneas de cable, es decir, aumentar la sección del conductor neutro, debe justificarse específicamente con los cálculos técnicos y económicos adecuados.

El esquema de conexión de los devanados del transformador de distribución tiene una influencia significativa en el desequilibrio de voltaje en la red.6-10 / 0,4 kV.La mayoría de los transformadores de distribución instalados en redes son estrella estrella con cero (Y/Yo). Dichos transformadores de distribución son más baratos, pero tienen una alta resistencia de secuencia cero Z0.

Para reducir el desequilibrio de tensión causado por los transformadores de distribución, se recomienda utilizar esquemas de conexión estrella-triángulo con cero (D/Yo) o estrella-zigzag (Y/Z). Lo más favorable para reducir la asimetría es el uso del esquema U/Z. Los transformadores de distribución con esta conexión son más caros y requieren mucha mano de obra para su fabricación. Por lo tanto, deben usarse con una gran asimetría debido a la asimetría de las cargas y la resistencia homopolar Z0 de las líneas.