Comutació de corrent fora de fase en interruptors de circuit de alta tensió
Quan es connecten dues parts d'una xarxa elèctrica amb la mateixa tensió de funcionament, es produeix un fenomen de commutació de desplaçament de fase si les seves fonts equivalents tenen angles de fase diferents, amb algunes o totes les fases desfasades 180°. Durant l'operació de commutació, el disjuntor enfronta tensions de font amb angles de fase diferents, provocant la presència de corrents desfasades en la connexió. Aquests corrents han de ser interromputs de manera fiable pels disjuntores de tots dos costats de la connexió.
Específicament, la diferència d'angle de fase entre els vectors giratoris que representen les tensions de font resulta en ones instantànies de tensió desincronitzades, causant corrents transitoris significatius i tensions elevades al moment de la commutació. Per a la tensió de recuperació transitoria (TRV), aquesta tasca de commutació està caracteritzada per fonts de potència activa en tots dos costats del disjuntor, augmentant la complexitat i els reptes de l'operació de commutació.
Com es mostra a la Figura 1, assumim que les fonts de potència S1 i S2 representen dues fonts amb angles de fase diferents. Quan el disjuntor commuta entre aquestes dues fonts, la diferència d'angle de fase pot conduir a un increment substancial del corrent transitori, imposant una major demanda de ruptura al disjuntor. Per tant, el disjuntor ha de tenir suficient capacitat per gestionar aquestes condicions de gran estrès, assegurant operacions de commutació segures i fiables.
Resum dels punts clau
Commutació de desplaçament de fase: Es produeix quan es comuta entre dues fonts amb angles de fase diferents.
Corrents transitoris: Es generen corrents transitoris significatius degut a les diferències d'angle de fase.
Tensió de recuperació transitoria (TRV): La tasca de commutació implica fonts de potència activa en tots dos costats del disjuntor, augmentant la complexitat.
Requisits del disjuntor: El disjuntor ha de ser capaç de gestionar condicions de gran estrès per assegurar operacions de commutació segures i fiables.
En les tasques de commutació de falles anteriorment discutides, el component de Tensió de Recuperació Transitoria (TRV) al costat de càrrega finalment decalça a zero. Tanmateix, en la commutació de desplaçament de fase, el component TRV al costat S2 decalça gradualment a la tensió de recuperació de freqüència d'ona (RV) de la font S2. Com es mostra a la Figura 2, es suposa que la diferència de fase entre les dues fonts és de 90°, i els reactors de curtcircuíten són iguals en impedància.
Per tant, la característica principal de l'operació de commutació de desplaçament de fase són pics de TRV excepcionalment alts, mentre que la velocitat de creixement de la tensió de reestabliment (RRRV) i el corrent romanen relativament moderats. Donat que el pic de TRV en condicions de desplaçament de fase és el més alt entre totes les operacions de commutació, sovint s'utilitza com a referència per avaluar altres condicions de commutació complexes, com ara la eliminació de falles en línies de transmissió de llarga distància o la gestió de falles en línies compensades en sèrie.
Resum dels punts clau:
TRV al costat de càrrega: En tots els casos, el component TRV al costat de càrrega decalça a zero. TRV al costat S2 en la commutació de desplaçament de fase: Decalça a la tensió de recuperació de freqüència d'ona (RV) de la font S2.
Pic de TRV: Excepcionalment alt en la commutació de desplaçament de fase.
RRRV i corrent: Romanen relativament moderats.
Referència estàndard: El pic de TRV en condicions de desplaçament de fase és el més alt, fet que el converteix en una referència habitual per avaluar altres condicions de commutació complexes.
Característiques de la TRV en la commutació de desplaçament de fase
En els escenaris de commutació de falles anteriorment discutits, el component de Tensió de Recuperació Transitoria (TRV) al costat de càrrega decalça a zero en tots els casos. Tanmateix, en la commutació de desplaçament de fase, el component TRV al costat decalça a la tensió de recuperació de freqüència d'ona (RV) de la font . Aquest comportament es il·lustra a la Figura 2, on es suposa que la diferència de fase entre les dues fonts és de 90°, i els reactors de curtcircuíten són considerats iguals.
Descripció refinada
En els escenaris de commutació de falles anteriorment discutits, el component de Tensió de Recuperació Transitoria (TRV) al costat de càrrega sempre decalça a zero. Tanmateix, en la commutació de desplaçament de fase, el component TRV al costat decalça a la tensió de recuperació de freqüència d'ona (RV) de la font . Com es mostra a la Figura 2, això assumeix una diferència de fase de 90° entre les dues fonts de potència i reactors de curtcircuíten iguals.
Per tant, les característiques clau de l'operació de commutació de desplaçament de fase són:
Pics de TRV molt alts: Els valors màxims de la TRV són significativament més alts en comparació amb altres modes de commutació.
RRRV i corrent moderats: La velocitat de creixement de la tensió de reestabliment (RRRV) i els nivells de corrent romanen moderats, malgrat els pics de TRV alts.
Donat que el pic de TRV en condicions de desplaçament de fase és el més alt entre tots els modes de commutació, aquest escenari sovint s'utilitza com a referència per avaluar altres condicions de commutació especials, com ara:
Eliminació de falles en línies de transmissió llargues
Gestió de falles en línies compensades en sèrie
Resum dels punts clau:
TRV al costat de càrrega: Sempre decalça a zero en tots els escenaris de commutació de falles.
-side TRV en la commutació de desplaçament de fase: Decalça a la tensió de recuperació de freqüència d'ona (RV) de la font .
Pic de TRV: Excepcionalment alt en la commutació de desplaçament de fase.
RRRV i corrent: Romanen relativament moderats.
Referència estàndard: El pic de TRV en condicions de desplaçament de fase és el més alt, fet que el converteix en una referència habitual per avaluar altres condicions de commutació complexes.
La Figura 3 il·lustra dos escenaris que poden conduir a condicions de desplaçament de fase. En el primer escenari (imatge de l'esquerra), un generador es connecta a la xarxa per error mitjançant un disjuntor a un angle de fase incorrecte. En el segon escenari (imatge de la dreta), diferents parts de la xarxa de transmissió perdent la sincronització, sovint degut a un curtcircuíti en algun punt de la xarxa.
En tots dos casos, corrents desfasades flueixen a través de la xarxa, que han de ser interromputs de manera fiable pels disjuntores. Aquestes situacions posen reptes significatius al sistema elèctric, ja que el desplaçament de fase pot resultar en corrents i tensions transitories elevades, requerint que els disjuntores gestionin aquestes condicions extremes de manera eficaç.
Resum dels punts clau:
Esenari 1 (Imatge de l'esquerra): Un generador es connecta a la xarxa a un angle de fase incorrecte, causant un desplaçament de fase.
Esenari 2 (Imatge de la dreta): Diferents parts de la xarxa de transmissió perdent la sincronització, típicament degut a un curtcircuíti, causant un desplaçament de fase.
Corrents desfasades: En tots dos escenaris, corrents desfasades flueixen a través de la xarxa.
Requisit del disjuntor: Els disjuntores han de poder interrompre de manera fiable aquests corrents desfasades per mantenir l'estabilitat i la seguretat del sistema.
Commutació entre el generador i el sistema
Quan s'utilitza un transformador elevador, la commutació entre el generador i el sistema elèctric pot ocórrer al costat de alta tensió (HV) o al costat de mitja tensió (MV) del transformador. Aquesta commutació pot succeir no només durant falles del sistema o parades de la central elèctrica, sinó també durant processos de sincronització i dessincronització.
La severitat de les condicions fora de fase depèn de:
Diferència d'angle de fase: Més gran sigui la diferència d'angle de fase entre el generador i la xarxa, més severa serà la condició fora de fase.
Estat d'excitació del rotor: El nivell d'excitació del rotor del generador també afecta la severitat de la condició fora de fase. Normalment, el sistema de control d'excitació reduirà ràpidament la força del camp magnètic del rotor per minimitzar l'impacte de la condició fora de fase.
Per abordar aquests reptes, les centrals elèctriques estan equipades amb diversos dispositius de protecció i control:
Dispositius de protecció fora de pas: Aquests detecten i preven que el generador perdi la sincronització amb la xarxa.
Dispositius de comprovació de sincronització: Aquests asseguren que el generador es connecti a la xarxa a l'angle de fase correcte, prevenint condicions fora de fase.
Equips de control de sincronització: Aquests ajuden a aconseguir una sincronització suau entre el generador i la xarxa.
La Figura 4 il·lustra aquesta disposició típica, mostrant la connexió entre el transformador elevador, el generador i el sistema elèctric, així com la configuració dels dispositius de protecció i control associats.
Resum dels punts clau:
Lloc de commutació: La commutació entre el generador i el sistema elèctric pot ocórrer al costat de alta tensió (HV) o al costat de mitja tensió (MV) del transformador elevador.
Condicions fora de fase: La severitat de les condicions fora de fase depèn de la diferència d'angle de fase i de l'estat d'excitació del rotor.
Dispositius de protecció i control: Les centrals elèctriques estan equipades amb dispositius de protecció fora de pas, dispositius de comprovació de sincronització i equips de control de sincronització per assegurar operacions de commutació segures i fiables.
2-Commutació entre dos sistemes:
La commutació entre dos sistemes elèctrics sol succeir en situacions d'imbalance de potència i instabilitat del sistema. Exemples referits a grans pertorbacions del sistema, situacions durant la restauració del sistema i degut a la mala operació dels sistemes de protecció.
Les línies de transmissió més importants poden estar equipades amb un bloqueig fora de fase en el seu sistema de protecció i/o es pot aplicar una protecció especial a tot el sistema per prevenir la separació dels sistemes en condicions fora de fase severes.
Conclusions dels fenòmens fora de fase:
Es proposa que els corrents fora de fase nominal siguin el 25% del corrent de curtcircuíti nominal. Per raons econòmiques i estadístiques, s'han proposat valors mínims de pica a partir de les anàlisis de TRV: una RV de 2,0 p.u. i un sobrepàs del 25%.
Com la separació del sistema va amb el desconnecte en cascada de línies aèries i, per tant, un increment de la impedància del sistema, un valor màxim del 25% del corrent de curtcircuíti nominal sembla raonable, fins i tot avui en dia. El valor màxim del corrent fora de fase és un paràmetre important per les capacitats dels disjuntores de alta tensió.
Les grans pertorbacions mostren angles fora de fase molt més grans que els valors de 105 graus a 115 graus associats als pics de TRV en els estàndards. Això es pot aplicar tant a xarxes radials com a xarxes en malla; tanmateix, esdeveniments històrics han demostrat que angles fora de fase grans poden ocorrer alhora que tensions de funcionament baixes. La combinació d'un gran angle fora de fase i una baixa tensió de funcionament produeix pics de TRV similars als mencionats en els estàndards per situacions amb un angle fora de fase relativament baix i tensió nominal (tensió màxima de funcionament).
Els disjuntores de sistemes de transmissió utilitzats per connectar o desconectar centrals elèctriques convencionals també poden estar subjectes a commutacions fora de fase. Per desconectar centrals elèctriques durant oscil·lacions de potència inestables, es poden aplicar les mateixes consideracions que per la separació del sistema, encara que cal tenir cura de la possibilitat de especificar una condició de prova de falla limitada pel transformador.
Per desconectar centrals elèctriques degut a una sincronització defectuosa, s'apliquen condicions i requisits similars als descrits per als disjuntores de generadors de mitja tensió, i són necessàries simulacions per jutjar si un disseny pot complir la tasca. Les simulacions d'aquests esdeveniments haurien de incloure el temps de resposta dels sistemes de protecció, el fenomen de depressió de la tensió del generador i l'acceleració/desacceleració del rotor per identificar si el corrent fora de fase i la TRV després d'una falsa sincronització dels generadors cobreixen les condicions prescrites per l'usuari, per exemple, 180 graus.
