Conmutación de corriente fuera de fase en interruptores de circuito de alta tensión
Cuando dos partes de una red eléctrica con el mismo voltaje de operación están acopladas, se produce un fenómeno de conmutación de desplazamiento de fase si sus fuentes equivalentes tienen diferentes ángulos de fase, con algunas o todas las fases desfasadas 180°. Durante la operación de conmutación, el interruptor enfrenta voltajes de fuente con ángulos de fase diferentes, lo que lleva a la presencia de corrientes desfasadas en la conexión. Estas corrientes deben ser interrumpidas de manera confiable por los interruptores en ambos lados de la conexión.
Específicamente, la diferencia de ángulo de fase entre los vectores rotativos que representan los voltajes de fuente resulta en formas de onda de voltaje instantáneo fuera de sincronización, causando corrientes transitorias significativas y tensiones de voltaje en el momento de la conmutación. Para la tensión de recuperación transitoria (TRV), esta tarea de conmutación se caracteriza por fuentes de potencia activa en ambos lados del interruptor, aumentando la complejidad y los desafíos de la operación de conmutación.
Como se muestra en la Figura 1, supongamos que las fuentes de alimentación S1 y S2 representan dos fuentes con diferentes ángulos de fase. Cuando el interruptor conmuta entre estas dos fuentes, la diferencia de ángulo de fase puede llevar a un aumento sustancial de la corriente transitoria, imponiendo mayores exigencias de interrupción al interruptor. Por lo tanto, el interruptor debe tener suficiente capacidad para manejar estas condiciones de alta tensión, asegurando operaciones de conmutación seguras y confiables.
Resumen de Puntos Clave
Conmutación de Desplazamiento de Fase: Ocurre al conmutar entre dos fuentes con diferentes ángulos de fase.
Corrientes Transitorias: Se generan corrientes transitorias significativas debido a las diferencias de ángulo de fase.
Tensión de Recuperación Transitoria (TRV): La tarea de conmutación involucra fuentes de potencia activa en ambos lados del interruptor, aumentando la complejidad.
Requisitos del Interruptor: El interruptor debe ser capaz de manejar condiciones de alta tensión para garantizar operaciones de conmutación seguras y confiables.
En las tareas de conmutación de fallas discutidas anteriormente, el componente de Tensión de Recuperación Transitoria (TRV) en el lado de carga finalmente decae a cero. Sin embargo, en la conmutación de desplazamiento de fase, el componente de TRV en el lado S2 decae gradualmente a la tensión de recuperación de frecuencia de red (RV) de la fuente S2. Como se muestra en la Figura 2, se asume que la diferencia de fase entre las dos fuentes es de 90°, y los reactancias de cortocircuito tienen impedancia igual.
Por lo tanto, la característica principal de la operación de conmutación de desplazamiento de fase son picos de TRV excepcionalmente altos, mientras que la Tasa de Ascenso de la Tensión de Recontacto (RRRV) y la corriente permanecen relativamente moderadas. Dado que el pico de TRV bajo condiciones de desplazamiento de fase es el más alto entre todas las operaciones de conmutación, generalmente se utiliza como referencia para evaluar otras condiciones de conmutación complejas, como la eliminación de fallas en líneas de transmisión de larga distancia o el manejo de fallas en líneas compensadas en serie.
Resumen de Puntos Clave:
TRV en el lado de carga: En todos los casos, el componente de TRV en el lado de carga decae a cero. TRV en el lado S2 en Conmutación de Desplazamiento: Decae a la tensión de recuperación de frecuencia de red (RV) de la fuente S2.
Pico de TRV: Excepcionalmente alto en la conmutación de desplazamiento de fase.
RRRV y Corriente: Permanecen relativamente moderados.
Estándar de Referencia: El pico de TRV bajo condiciones de desplazamiento de fase es el más alto, lo que lo convierte en una referencia común para evaluar otras condiciones de conmutación complejas.
Características de la TRV en la Conmutación de Desplazamiento de Fase
En los escenarios de conmutación de fallas discutidos anteriormente, el componente de Tensión de Recuperación Transitoria (TRV) en el lado de carga decae a cero en todos los casos. Sin embargo, en la conmutación de desplazamiento de fase, el componente de TRV en el lado decae a la tensión de recuperación de frecuencia de red (RV) de la fuente . Este comportamiento se ilustra en la Figura 2, donde se asume que la diferencia de fase entre las dos fuentes es de 90°, y los reactancias de cortocircuito se consideran iguales.
Descripción Refinada
En los escenarios de conmutación de fallas discutidos anteriormente, el componente de Tensión de Recuperación Transitoria (TRV) en el lado de carga siempre decae a cero. Sin embargo, en la conmutación de desplazamiento de fase, el componente de TRV en el lado decae a la tensión de recuperación de frecuencia de red (RV) de la fuente . Como se muestra en la Figura 2, esto asume una diferencia de fase de 90° entre las dos fuentes de alimentación y reactancias de cortocircuito iguales.
Por lo tanto, las características clave de la operación de conmutación de desplazamiento de fase son:
Picos de TRV Muy Altos: Los valores pico de la TRV son significativamente más altos en comparación con otros modos de conmutación.
RRRV y Corriente Moderados: La Tasa de Ascenso de la Tensión de Recontacto (RRRV) y los niveles de corriente permanecen moderados, a pesar de los picos de TRV altos.
Dado que el pico de TRV bajo condiciones de desplazamiento de fase es el más alto entre todos los modos de conmutación, este escenario se utiliza a menudo como referencia para evaluar otras condiciones de conmutación especiales, como:
Eliminación de fallas en líneas de transmisión largas
Manejo de fallas en líneas compensadas en serie
Resumen de Puntos Clave:
TRV en el lado de carga: Siempre decae a cero en todos los escenarios de conmutación de fallas.
-lado TRV en Desplazamiento de Fase: Decae a la tensión de recuperación de frecuencia de red (RV) de la fuente .
Pico de TRV: Excepcionalmente alto en la conmutación de desplazamiento de fase.
RRRV y Corriente: Permanecen relativamente moderados.
Estándar de Referencia: El pico de TRV bajo condiciones de desplazamiento de fase es el más alto, lo que lo convierte en un estándar común para evaluar otras condiciones de conmutación complejas.
La Figura 3 ilustra dos escenarios que pueden llevar a condiciones de desplazamiento de fase. En el primer escenario (imagen izquierda), un generador se conecta accidentalmente a la red mediante un interruptor a un ángulo de fase incorrecto. En el segundo escenario (imagen derecha), diferentes partes de la red de transmisión pierden sincronización, a menudo debido a un cortocircuito en algún lugar de la red.
En ambos casos, corrientes desfasadas fluyen a través de la red, las cuales deben ser interrumpidas de manera confiable por los interruptores. Estas situaciones plantean desafíos significativos para el sistema de potencia, ya que el desplazamiento de fase puede resultar en corrientes y tensiones transitorias altas, requiriendo que los interruptores manejen estas condiciones extremas de manera efectiva.
Resumen de Puntos Clave:
Escenario 1 (Imagen Izquierda): Un generador se conecta a la red a un ángulo de fase incorrecto, lo que lleva a un desplazamiento de fase.
Escenario 2 (Imagen Derecha): Diferentes partes de la red de transmisión pierden sincronización, típicamente debido a un cortocircuito, causando un desplazamiento de fase.
Corrientes Desfasadas: En ambos escenarios, corrientes desfasadas fluyen a través de la red.
Requisito del Interruptor: Los interruptores deben interrumpir de manera confiable estas corrientes desfasadas para mantener la estabilidad y seguridad del sistema.
Conmutación Entre Generador y Sistema
Al utilizar un transformador elevador, la conmutación entre el generador y el sistema de potencia puede ocurrir en el lado de alta tensión (HV) o en el lado de media tensión (MV) del transformador. Esta conmutación puede ocurrir no solo durante fallas del sistema o salidas de la planta de potencia, sino también durante eventos de sincronización y desincronización.
La severidad de las condiciones fuera de fase depende de:
Diferencia de Ángulo de Fase: Cuanto mayor sea la diferencia de ángulo de fase entre el generador y la red, más severa será la condición fuera de fase.
Estado de Excitación del Rotor: El nivel de excitación en el rotor del generador también afecta la severidad de la condición fuera de fase. Generalmente, el sistema de control de excitación reducirá rápidamente la fuerza magnética del rotor para minimizar el impacto de la condición fuera de fase.
Para abordar estos desafíos, las plantas de potencia están equipadas con diversos dispositivos de protección y control:
Dispositivos de Protección Fuera de Paso: Estos detectan y previenen que el generador pierda la sincronización con la red.
Dispositivos de Verificación de Sincronismo: Estos aseguran que el generador se conecte a la red en el ángulo de fase correcto, evitando condiciones fuera de fase.
Equipos de Control de Sincronización: Estos ayudan a lograr una sincronización suave entre el generador y la red.
La Figura 4 ilustra esta disposición típica, mostrando la conexión entre el transformador elevador, el generador y el sistema de potencia, así como la configuración de los dispositivos de protección y control asociados.
Resumen de Puntos Clave:
Lugar de Conmutación: La conmutación entre el generador y el sistema de potencia puede ocurrir en el lado de alta tensión (HV) o en el lado de media tensión (MV) del transformador elevador.
Condiciones Fuera de Fase: La severidad de las condiciones fuera de fase depende de la diferencia de ángulo de fase y del estado de excitación del rotor.
Dispositivos de Protección y Control: Las plantas de potencia están equipadas con dispositivos de protección fuera de paso, dispositivos de verificación de sincronismo y equipos de control de sincronización para garantizar operaciones de conmutación seguras y confiables.
2-Conmutación entre Dos Sistemas:
La conmutación entre dos sistemas de potencia generalmente ocurre en situaciones de desequilibrio de potencia e inestabilidad del sistema. Ejemplos incluyen perturbaciones grandes del sistema, situaciones durante la restauración del sistema y debido a la mala operación de los sistemas de protección.
Las líneas de transmisión más importantes pueden estar equipadas con un bloqueo fuera de fase en su sistema de protección y/o se puede aplicar una protección especial a nivel de sistema para prevenir la separación de los sistemas bajo condiciones severas de desfase.
Conclusiones de los fenómenos fuera de fase:
Se ha propuesto que las corrientes fuera de fase nominal sean el 25% de la corriente de cortocircuito nominal. Por razones económicas y estadísticas, se han propuesto valores mínimos de pico de los análisis de TRV: una RV de 2.0 p.u. y un sobrepaso del 25%.
Dado que la separación del sistema va acompañada de un apagado en cascada de las líneas aéreas y, por lo tanto, un aumento de la impedancia del sistema, un valor máximo del 25% de la corriente de cortocircuito nominal parece razonable, incluso hoy en día. El valor máximo de la corriente fuera de fase es un parámetro importante para las capacidades de los interruptores de alta tensión.
Las perturbaciones grandes muestran ángulos fuera de fase mucho mayores que los valores de 105 a 115 grados asociados con los valores pico de TRV en las normas. Esto se aplica tanto a redes radiales como malla; sin embargo, los eventos históricos han demostrado que pueden ocurrir ángulos fuera de fase grandes al mismo tiempo que voltajes de operación bajos. La combinación de un gran ángulo fuera de fase y un voltaje de operación bajo produce valores pico de TRV similares a los mencionados en las normas para situaciones con un ángulo fuera de fase relativamente bajo y voltaje nominal (voltaje de operación máximo).
Los interruptores de sistemas de transmisión utilizados para conectar o desconectar plantas de potencia convencionales pueden estar sujetos a conmutación fuera de fase. Para desconectar plantas de potencia durante oscilaciones de potencia inestables, se aplican las mismas consideraciones que para la separación del sistema, aunque con cuidado para la posibilidad de que se deba especificar una condición de prueba de falla limitada por transformador.
Para desconectar plantas de potencia debido a una sincronización defectuosa, se aplican condiciones y requisitos similares a los descritos para los interruptores de generadores de media tensión, y son necesarias simulaciones para juzgar si un diseño puede cumplir con la tarea. Las simulaciones de tales eventos deben incluir el tiempo de respuesta de los sistemas de protección, el fenómeno de depresión del voltaje del generador y la aceleración/desaceleración del rotor para identificar si la corriente fuera de fase y la TRV después de una sincronización falsa de generadores cubren las condiciones prescritas por el usuario, por ejemplo, 180 grados.
