Comutación de corrente desfasada en interruptores de alto voltaxe

Cando dúas partes dunha rede eléctrica co mesmo voltaxe de funcionamento están acopladas, ocorre un fenómeno de conmutación de desprazamento de fase se as súas fontes equivalentes teñen diferentes ángulos de fase, con algunhas ou todas as fases desfasadas 180°. Durante a operación de conmutación, o interruptor de circuito enfronta voltaxes de fonte con diferentes ángulos de fase, provocando a presenza de correntes desfasadas na conexión. Estas correntes deben ser interrompidas de forma fiable polo interruptor de circuito dos dous lados da conexión.

Especificamente, a diferenza de ángulo de fase entre os vectores rotativos que representan os voltaxes de fonte resulta en formas de onda de voltaxe instantáneo desincronizadas, causando correntes transitorias significativas e tensiones de voltaxe no momento da conmutación. Para a tensión de recuperación transitória (TRV), esta tarefa de conmutación está caracterizada por fontes de potencia activa nos dous lados do interruptor de circuito, aumentando a complexidade e os desafíos da operación de conmutación.

Como se mostra na Figura 1, supónse que as fontes de enerxía S1 e S2 representan dúas fontes con diferentes ángulos de fase. Cando o interruptor de circuito conmuta entre estas dúas fontes, a diferenza de ángulo de fase pode levar a un aumento substancial da corrente transitoria, imponendo maiores exigencias de interrupción ao interruptor de circuito. Polo tanto, o interruptor de circuito debe ter capacidade suficiente para xestionar estas condicións de alta estrés, asegurando operacións de conmutación seguras e fiables.

Resumo dos Puntos Clave

• Conmutación de Desprazamento de Fase: Ocorre cando se conmuta entre dúas fontes con diferentes ángulos de fase.

• Correntes Transitorias: Xeran correntes transitorias significativas debido á diferenza de ángulo de fase.

• Tensión de Recuperación Transitória (TRV): A tarefa de conmutación implica fontes de potencia activa nos dous lados do interruptor de circuito, aumentando a complexidade.

• Requisitos do Interruptor de Circuito: O interruptor de circuito debe ser capaz de xestionar condicións de alto estrés para asegurar operacións de conmutación seguras e fiables.

Nas tarefas de conmutación de fallos previamente discutidas, o compoñente de Tensión de Recuperación Transitória (TRV) no lado de carga finalmente decae a cero. No entanto, na conmutación de desprazamento de fase, o compoñente TRV no lado S2 decae gradualmente ao voltaxe de recuperación de frecuencia de potencia (RV) da fonte S2. Como se mostra na Figura 2, supónse que a diferenza de fase entre as dúas fontes é de 90°, e os reactores de curto circuito teñen impedancia igual.

Polo tanto, a característica principal da operación de conmutación de desprazamento de fase son picos de TRV excepcionalmente altos, mentres que a taxa de subida do voltaxe de reestrixe (RRRV) e a corrente permanecen relativamente moderados. Dado que o pico de TRV baixo condicións de desprazamento de fase é o máis alto entre todas as operacións de conmutación, adoita usarse como referencia para avaliar outras condicións de conmutación complexas, como a eliminación de fallos en liñas de transmisión de longa distancia ou a xestión de fallos en liñas compensadas en serie.

Resumo dos Puntos Clave:

• TRV no Lado de Carga: En todos os casos, o compoñente TRV no lado de carga decae a cero. TRV no Lado S2 en Conmutación de Desprazamento: Decae ao voltaxe de recuperación de frecuencia de potencia (RV) da fonte S2.

• Pico de TRV: Excepcionalmente alto na conmutación de desprazamento de fase.

• RRRV e Corrente: Permanecen relativamente moderados.

• Norma de Referencia: O pico de TRV baixo condicións de desprazamento de fase é o máis alto, facéndoo unha referencia común para avaliar outras condicións de conmutación complexas.

Características da TRV na Conmutación de Desprazamento de Fase

Nas situacións de conmutación de fallos previamente discutidas, o compoñente de Tensión de Recuperación Transitória (TRV) no lado de carga decae a cero en todos os casos. No entanto, na conmutación de desprazamento de fase, o compoñente TRV no lado S2 decae ao voltaxe de recuperación de frecuencia de potencia (RV) da fonte S2. Este comportamento ilustrase na Figura 2, onde se supón que a diferenza de fase entre as dúas fontes é de 90°, e os reactores de curto circuito son considerados iguais.

Descripción Refinada

Nas situacións de conmutación de fallos previamente discutidas, o compoñente de Tensión de Recuperación Transitória (TRV) no lado de carga sempre decae a cero. No entanto, na conmutación de desprazamento de fase, o compoñente TRV no lado S2 decae ao voltaxe de recuperación de frecuencia de potencia (RV) da fonte S2. Como se mostra na Figura 2, isto supón unha diferenza de fase de 90° entre as dúas fontes de enerxía e reactores de curto circuito iguais.

Polo tanto, as características clave da operación de conmutación de desprazamento de fase son:

• Picos de TRV Mui Altos: Os valores de pico da TRV son significativamente máis altos en comparación con outros modos de conmutación.

• RRRV e Corrente Moderados: A taxa de subida do voltaxe de reestrixe (RRRV) e os niveis de corrente permanecen moderados, a pesar dos picos de TRV altos.

Dado que o pico de TRV baixo condicións de desprazamento de fase é o máis alto entre todos os modos de conmutación, esta situación adoita usarse como referencia para avaliar outras condicións de conmutación especiais, como:

• Eliminación de fallos en liñas de transmisión longas

• Xestión de fallos en liñas compensadas en serie

Resumo dos Puntos Clave:

• TRV no Lado de Carga: Sempre decae a cero en todos os escenarios de conmutación de fallos.

• S2-lado TRV en Conmutación de Desprazamento: Decae ao voltaxe de recuperación de frecuencia de potencia (RV) da fonte S2 .

• Pico de TRV: Excepcionalmente alto na conmutación de desprazamento de fase.

• RRRV e Corrente: Permanecen relativamente moderados.

• Norma de Referencia: O pico de TRV baixo condicións de desprazamento de fase é o máis alto, facéndoo unha referencia común para avaliar outras condicións de conmutación complexas.

A Figura 3 ilustra dous escenarios que poden levar a condicións de desprazamento de fase. No primeiro escenario (imaxe da esquerda), un xerador conectase inadvertidamente á rede por un interruptor de circuito a un ángulo de fase incorrecto. No segundo escenario (imaxe da dereita), diferentes partes da rede de transmisión perden sincronización, a miúdo debido a un curto circuito que ocorre en algún punto da rede.

En ambos os casos, fluyen correntes desfasadas pola rede, que deben ser interrompidas de forma fiable polos interruptores de circuito. Estas situacións supoñen importantes desafíos para o sistema eléctrico, xa que o desprazamento de fase pode resultar en correntes e voltaxes transitorios altos, requirendo que os interruptores de circuito xestionen estas condicións extremas de forma eficaz.

Resumo dos Puntos Clave:

• Escenario 1 (Imaxe da Esquerda): Un xerador conectase á rede a un ángulo de fase incorrecto, levando a un desprazamento de fase.

• Escenario 2 (Imaxe da Dereita): Diferentes partes da rede de transmisión perden sincronización, típicamente debido a un curto circuito, causando un desprazamento de fase.

• Correntes Desfasadas: En ambos os escenarios, fluyen correntes desfasadas pola rede.

• Requisito do Interruptor de Circuito: Os interruptores de circuito deben interromper de forma fiable estas correntes desfasadas para manter a estabilidade e seguridade do sistema.

Conmutación Entre Xerador e Sistema

Cando se usa un transformador de elevación, a conmutación entre o xerador e o sistema eléctrico pode ocorrer no lado de alta tensión (HT) ou no lado de media tensión (MT) do transformador. Esta conmutación pode producirse non só durante fallos do sistema ou cortes da central eléctrica, senón tamén durante eventos de sincronización e dessincronización.

A severidade das condicións de fora de fase depende de:

• Diferença de Ángulo de Fase: Cuanto maior sexa a diferenza de ángulo de fase entre o xerador e a rede, máis severa será a condición de fora de fase.

• Estado de Excitación do Rotor: O nivel de excitación no rotor do xerador tamén afecta á severidade da condición de fora de fase. Tipicamente, o sistema de control de excitación reducirá rapidamente a forza do campo magnético do rotor para minimizar o impacto da condición de fora de fase.

Para abordar estes desafíos, as centrais eléctricas están equipadas con varios dispositivos de protección e control:

• Dispositivos de Protección Fora de Paso: Estes detectan e prevén que o xerador perda a sincronización coa rede.

• Dispositivos de Comprobación de Sincronismo: Estes aseguran que o xerador se conecte á rede no ángulo de fase correcto, evitando condicións de fora de fase.

• Equipamento de Control de Sincronización: Estes axudan a lograr unha sincronización suave entre o xerador e a rede.

A Figura 4 ilustra esta disposición típica, mostrando a conexión entre o transformador de elevación, o xerador e o sistema eléctrico, así como a configuración dos dispositivos de protección e control asociados.

Resumo dos Puntos Clave:

• Localización de Conmutación: A conmutación entre o xerador e o sistema eléctrico pode ocorrer no lado de alta tensión (HT) ou no lado de media tensión (MT) do transformador de elevación.

• Condicións de Fora de Fase: A severidade das condicións de fora de fase depende da diferenza de ángulo de fase e do estado de excitación do rotor.

• Dispositivos de Protección e Control: As centrais eléctricas están equipadas con dispositivos de protección fora de paso, dispositivos de comprobación de sincronismo e equipamento de control de sincronización para asegurar operacións de conmutación seguras e fiables.

2-Conmutación entre Dous Sistemas:

A conmutación entre dous sistemas eléctricos adoita ocorrer en situacións con desequilibrio de potencia e inestabilidade do sistema. Exemplos referidos a grandes perturbacións do sistema, situacións durante a restauración do sistema e debido á mala operación dos sistemas de protección.

As liñas de transmisión máis importantes poden estar equipadas con bloqueo de fora de fase no seu sistema de protección e/ou podería aplicarse unha protección especial a nivel de sistema para evitar a separación dos sistemas baixo condicións de fora de fase severas.

Conclusións dos fenómenos de fora de fase:

• As correntes nominais de fora de fase propoñense que sexan o 25% da corrente nominal de curto circuito. Por razóns económicas e estatísticas, propoñéronse valores mínimos de pico a partir das análise de TRV: un RV de 2.0 p.u. e un sobrepaso do 25%.

• Como a separación do sistema vai acompañada de saltos en cascada de liñas aéreas e, polo tanto, un aumento da impedancia do sistema, un valor máximo do 25% da corrente nominal de curto circuito parece ser razonable, incluso hoxe. O valor máximo da corrente de fora de fase é un parámetro importante para as capacidades dos interruptores de circuito de alta tensión.

• Grandes perturbacións mostran ángulos de fora de fase moito maiores que os valores de 105 graos a 115 graos asociados aos picos de TRV nas normas. Isto aplica tanto a redes radiais como en malla; no entanto, os eventos históricos mostraron que poden ocorrer grandes ángulos de fora de fase ao mesmo tempo que baixos voltaxes de operación. A combinación dun gran ángulo de fora de fase e baixo voltaxe de operación produce picos de TRV similares aos mencionados nas normas para situacións con un ángulo de fora de fase relativamente baixo e voltaxe nominal (voltaxe máxima de operación).

• Os interruptores de circuito do sistema de transmisión utilizados para conectar ou desconectar centrais eléctricas convencionais tamén poden estar suxeitos a conmutación de fora de fase. Para desconectar centrais eléctricas durante oscilacións de potencia inestables, as mesmas consideracións que para a separación do sistema son aplicables, aínda que cunha atención especial para a posibilidade de que se deba especificar unha condición de proba de fallo limitada polo transformador.

• Para desconectar centrais eléctricas debido a una sincronización defectuosa, son aplicables condicións e requisitos similares aos descritos para interruptores de circuito de xeradores de media tensión, e son necesarias simulacións para xulgar se un deseño pode cumprir a tarefa. As simulacións de tales eventos deben incluír o tempo de resposta dos sistemas de protección, o fenómeno de depresión do voltaxe do xerador e a aceleración/desaceleración do rotor para identificar se a corrente de fora de fase e a TRV após a falsa sincronización de xeradores cubren as condicións prescritas polo usuario, por exemplo, 180 graos.