CRUZ ROMERO PEDRO LUIS (ES)
| US5175442A | 1992-12-29 | |||
| EP0776013A2 | 1997-05-28 | |||
| ES2323923A1 | 2009-07-27 | |||
| CN203891557U | 2014-10-22 | |||
| CN201074416Y | 2008-06-18 |
| Reivindicaciones 1. Sistema compacto de transporte en corriente alterna trifásica de n circuitos caracterizado porque comprende: a) un primer conjunto n (n = 2,3.4,5,... ) de transformadores trifásicos de dos devanados, estando dicho conjunto situado en un subestación a la que se conecta el primer extremo de una linea eléctrica multicircuito; b) un segundo conjunto de n circuitos de conductores eléctricos, formando dicha línea; c) un tercer conjunto n de transformadores trifásicos de dos devanados, idénticos a los de a), situados en una segunda subestación y conectados al segundo extremo de la linea b). Los transformadores en a) tienen cada uno un primer devanado trifásico conectado en paralelo con los devanados trifásicos de los otros transformadores y un segundo devanado trifásico conectado a la linea. Dicho segundo devanado tiene índice de desfase horario dispuesto de la siguiente manera: para n = 2 en contrafase; para n = 3 un devanado en contrafase respecto de los otros dos; para n≥ 4 dos en contrafase con los dos restantes o uno en contrafase con los otros tres. Dependiendo del número de circuitos n, los circuitos de la linea de transporte b) tienen suprimidos los conductores de una, dos o las tres fases, de la siguiente manera, para n = 2 se suprimen los conductores de la misma fase de cada circuito y se conectan dichas fases entre si en los devanados en contrafase de los transformadores a) y c), para n = 3 se suprimen los conductores de dos fases en un primer circuito y los de las mismas fases en los otros dos circuitos, una fase por cada circuito, y se conecta cada una de las fases suprimidas en el primer circuito con la misma en contrafase de cada uno de los otros dos circuitos, en los devanados trifásicos de los transformadores a) y c); para n = 4 hay dos posibilidades: (1 ) suprimir los conductores de dos fases en cada uno de dos de los circuitos y de una fase en cada uno de los otros dos, y conectar dos a dos entre sí las mismas fases suprimidas en los devanados trifásicos en contrafase de los transformadores extremos a) y c); (2) suprimir los conductores de las tres fases de un primer circuito y los de una fase en cada uno de los otros tres restantes circuitos, y conectar dos a dos entre sí las fases suprimidas del primer circuito con las mismas fases suprimidas de los otros tres circuitos en los devanados trifásicos en contrafase de los transformadores extremos a) y c); para un n cualquiera suprimir al menos una fase en cada uno de los circuitos y conectar entre si las mismas fases suprimidas dos a dos en los devanados trifásicos en contrafase de los transformadores extremos a) y c). Los conductores de las fases no suprimidas se conectan a las correspondientes fases de los transformadores en a) y c). 2. Sistema compacto de transporte en corriente alterna multicircuito según reivindicación anterior caracterizado porque los n transformadores de dos devanados de una o las dos subestaciones extremas se reemplazan en todo o en parte por un número inferior de transformadores, donde uno o varios de dichos transformadores son de tres devanados o más |
Sistema compacto de transporte en corriente alterna multicircuito
OBJETO DE LA INVENCIÓN La presente invención tiene por objeto principal un nuevo sistema de linea trifásica de corriente alterna de doble circuito (para instalación aérea, subterránea o submarina), basado en la compensación de la corriente eléctrica circulante por una fase de uno de los circuitos trifásicos con la corriente de una fase del otro circuito que discurre en paralelo, ambas desfasadas 180° y sometidas al mismo potencial, lo que permite suprimir los dos conductores que componen las mencionadas fases. Como resultado, se obtiene un sistema más compacto, económico y de mayor capacidad de transporte, que utiliza sólo 4 conductores en lugar de 6 El sistema propuesto es aplicable asimismo al caso en que existan más de dos circuitos en paralelo, resultando suprimidas tantas parejas de conductores como circuitos trifásicos menos uno.
ESTADO DE LA TECNICA
Desde los inicios de la electrificación el transporte de energía eléctrica se viene efectuando mediante tres fases (transporte trifásico), estando cada fase materializada por uno o varios conductores (lineas símplex, dúplex, etc.). Para aprovechar al máximo el mismo corredor y los mismos recursos (apoyos, zanja, etc.) es muy común agrupar dos o más lineas eléctricamente independientes sobre el mismo apoyo, de modo que cada fase aparece repetida tantas veces como circuitos trifásicos se conectan en paralelo.
La máxima cantidad de potencia activa que puede transportar una determinada linea depende de las características de la misma y de la red a la que está conectada, y viene limitada fundamentalmente por tres motivos: (a) calentamiento del conductor, (b) máxima diferencia de tensión entre ambos extremos y (c) restricciones relativas a la estabilidad del sistema (estática o dinámica) El criterio (a) es el más restrictivo para líneas aéreas relativamente cortas (v.g., en redes de transporte, para líneas de menos de 200 km aproximadamente). Para líneas de mayor longitud, los criterios (b) y. sobre todo, el (c), son los que más limitan la capacidad de transporte.
Existe un parámetro, llamado potencia natural o característica de una linea (conocido en inglés por las siglas SIL, "surge irnpedance loading').. proporcional al cuadrado de la tensión nominal e independiente de la longitud de la misma, que permite caracterizar de modo sencillo la respuesta que tendrá dicha línea en relación a las limitaciones (b) y (c). Una linea que transporta su potencia natural ni consume ni absorbe potencia reactiva (suponiendo que las pérdidas óhmicas son despreciables), dando lugar a un perfil de tensiones plano Por encima de la potencia natural, que es la condición de trabajo habitual, se producen caídas de tensión en el sentido de circulación del flujo de potencia activa y la linea es un consumidor neto de potencia reactiva, y lo contrarío ocurre cuando la potencia transportada es menor que la SIL (produciéndose el llamado efecto Ferranti). Una mayor potencia natural implica una mayor capacidad de transporte para una longitud dada, o la posibilidad de transmitir una potencia dada a mayores distancias. Para una línea trifásica de 400 kV el valor de SIL es del orden de 550 MW, mientras que para otra de 220 kV es del orden de 150 MW, por lo que la primera podrá transportar más potencia que la segunda, para una longitud dada, sin sobrepasar los límites (b) y (c).
Por otro lado, la capacidad de transporte en líneas largas varia inversamente con la longitud, de modo que dos lineas de igual SIL y diferente longitud tendrán diferente capacidad de transporte (mayor capacidad cuanta menor longitud).
A lo largo del siglo XX se han propuesto diseños que permiten incrementar el SIL de las lineas aéreas. Procedimientos inmediatos son incrementar la tensión nominal, reducir la impedancia serie (insertando condensadores serie o reconfigurando los conductores), o simplemente añadir un circuito en paralelo. Otra posibilidad es compactar la linea mediante diseños optimizados, junto con el empleo de crucetas aislantes (de este modo el SIL se incrementa aproximadamente un 30-40 %). Una última posibilidad es el empleo de líneas de más de tres fases (1 ). En el caso de la línea hexafásica la potencia que se puede transmitir es el doble que la de una línea trifásica de doble circuito, por lo que respecta al criterio térmico, a igualdad de tensión rase-tierra. Si ei límite viene dado por el criterio de estabilidad (valor de SIL), la capacidad de transporte de la línea hexafásica es prácticamente la misma que en una línea trifásica a igual tensión fase-tierra, y 3 veces mayor a igual tensión fase-fase (2). Además, la menor emisión de campo eléctrico y magnético hace que la anchura de la servidumbre de paso ("ríght of way", o ROW) que es necesario respetar sea menor que en el caso trifásico de doble circuito.
Otro tipo de línea de más de tres fases que se ha propuesto es la tetrafásica (3), con ciertas ventajas sobre la hexafásica (mayor simplicidad en ei diseño de los apoyos, mayor simplicidad en el diseño de las protecciones y menores sobretensiones) pero con menor SIL a igualdad de tensión fase-tierra. Otra ventaja que hay que destacar de las líneas polifásicas es la reducción de pérdidas por efecto corona. Para una linea hexafáeica de igual tensión fase-tierra que otra trifásica doble circuito, y a igual potencia transmitida, las pérdidas Joule son iguales pero las pérdidas por efecto corona son inferiores ya que la tensión fase-fase es '</3 veces menor.
Podemos considerar por tanto el estado actual de la técnica en el diseño de lineas eléctricas de tensión igual o superior a 200 kV y elevada capacidad de transporte las líneas polifásicas, especialmente las hexafásicas. La figura 1a muestra una linea trifásica de doble circuito de tensión fase-fase 500 kV (SIL = 1630 MW) que se convierte a hexafásica (figura 1 b). Para evitar tener que modificar el nivel de aislamiento, se mantiene constante la tensión fase-tierra (500/V3 kV) obteniendo un valor de SIL prácticamente idéntico al de la linea de doble circuito. Si en lugar de mantener constante la tensión fase-tierra se conservase la tensión fase-fase el SIL se incrementaría hasta unos 4900 MW sin necesidad de modificar la anchura de la servidumbre de paso Para ello sería necesario modificar la estructura de los apoyos y el nivel de aislamiento fase-tierra, tal como se observa en la figura 1c, donde se ha incrementado la tensión fase-tierra a 500 kV. obteniendo un valor para el SIL de unos 4900 MW (se ha triplicado respecto a la linea trifásica).
La necesidad de disponer de transformadores especiales para la conversión de tres a un número mayor de fases (múltiplo de tres) y viceversa ha dificultado la implementación práctica de las lineas polifásicas, por lo que de facto el estado actual de la técnica para incrementar sustancialmente la capacidad de transporte de una linea es incrementar el número de circuitos (figura 2). En dicha figura se observa una linea 3 que conecta la subestación 1 con la 4. Dicha línea se compone de n circuitos. conectados en cada extremo a las barras de la subestación. Normalmente, al menos un secundario de los transformadores situados en el origen de la linea (subestación 1) se pone a tierra a través del neutra. Dado que los circuitos están en paralelo, los módulo de las tensiones fase-tierra y las corrientes de fase de cada circuito son sensiblemente similares entre sí (aparecen ligeras diferencias en las corrientes debido a la presencia del suelo y la imperfecta simetría de la configuración de conductores) , tal como se observa en los diagramas fasoríales de las magnitudes en el origen 2 y final 5 de la linea.
Referencias
(1) Barnes y Barthold "High phase order power transmission * , Electra No. 24, 1973. - (2) Tiwan y Bin Saroor. "An investigation into loadability characteristics of EHV high phase order transmíssíon linee", IEEE Trans Power Systems, vol 10, no. 3, agosto 1995
(3) Liu y Yang, 'Study of four-phase power transmíssíon systems", IEE Proc. Generation. Transmíssíon and Distribution, Vol. 149 : No. 4. 2002
Descripción de las figuras
Figura 1. Líneas trifásica y multifásica
(1.a) Configuración trifásica doble circuito con tensión fase-fase 500 kV ·
(1.b) Configuración hexafásica con tensión fase-tierra 500/V3 kV
- a, b, c, d. e, f: las seis fases que componen la linea
*-
(1 c) Configuración hexafásica con tensión fase-tierra 500 kV
Figura 2. Linea trifásica multicircuito de 3n fases 1. 4: subestaciones conectadas a los extremos de la linea
- 2- diagrama fasoríal de intensidades y tensiones en el origen de la linea
- 3: línea multicircuito
- 5: diagrama fasorial de intensidades y tensiones en el final de la linea
- n: número de circuitos
Figura 3 Linea trifásica multicircuito de n+2 fases
fasores de tensión fase-neutro en el secundario del transformador de la subestación 1 asociado al cuarto circuito de la linea 3 de la figura 6A.
- Vf. valor eficaz de la tensión fase-neutro en los secundarios de los transformadores de la subestación 1 de la figura 6A.
Descripción de la Invención
La finalidad de la presente invención es mejorar las prestaciones de las lineas eléctricas trifásicas de dos o más circuitos desde el punto de vista eléctrico, en concreto incrementar el SIL y reducir las pérdidas eléctricas. Se puede aplicar tanto a líneas nuevas como a la repotenciación de lineas existentes.
Consiste en un sistema compacto de transporte en comente alterna multicircurto en el que los conductores de al menos una de las fases de cada circuito se suprimen en la línea de transporte y dicha(s) fase(s) suprimida(s) se conecta(n) en los transformadores extremos a la misma fase suprimida de otro circuito.
Considérese una linea eléctrica que enlaza dos subestaciones, tal como se observa en la figura 3 Supóngase que dicha linea consta de n circuitos trifásicos (siendo n>1), por lo que deberá tener 3n fases Los n circuitos trifásicos se conectan en el origen a n sistemas trifásicos de tensiones 2 y en el final a otros n sistemas trifásicos de tensiones 5 (equilibrados en tensiones fase-fase), estando en cada extremo unos en fase y otros en contrafase (si n es par, n/2 estarán en fase y n/2 en contrafase; si n es impar. (n-1)/2 estarán en fase y (n+1)/2 en contrafase). Gracias a esta disposición de tensiones, habrá n/2 (n par) o (n-1 )/2 (n impar) fases por las que circulará la misma corriente y otras n/2 (n par) o (n+1)/2 (n impar) por las que circulará la corriente en sentido contrario, suponiendo simetría entre los circuitos. Cancelando convenientemente unas corrientes con otras, y eliminando de cada circuito de la línea las fases correspondientes, el número de fases de la linea se reduce de 3n a un valor inferior, que varia en función de la configuración del acoplamiento entre circuitos, pero que en la mayoría de los casos es n+2. Una disposición de fases tal como la descrita anteriormente exige una configuración apropiada en las tensiones de los sistemas trifásicos conectados, tanto en el origen como en el final de la línea, tal como se observa en la figura 3, donde tanto en la subestación origen 1 como en la final 4 las fases que se cancelan mutuamente deben conectarse entre sí en los bornes de salida de los secundarios de los transformadores respectivos, de modo que aunque el número de fases que realmente se transportan sea inferior a 3n, el número de fases que se transforman, tanto en el ongen 1 como en el final 4, sigue siendo 3n, con lo que el número de devanados trifásicos secundarios de transformación debe ser n.
Aunque la figura 3 muestra una realización concreta a base de transformadores trifásicos de dos devanados, debe entenderse que no se pierde generalidad. Existen otras configuraciones de transformación (bancos de transformadores monofásicos, transformadores trifásicos de 3 o más devanados, etc.) no mostradas que resultan igualmente válidas y que se deducen de forma inmediata.
Modo de realización de la invención
La figura 4A muestra un modo de realización para n = 2. En la subestación 1 ambos transformadores tienen Indices de desfase horario desfasados 180" entre sí (v.g. uno tiene 0 y el otro 6), estando ambos lados de linea de los dos transformadores eléctricamente desacoplados entre si, excepto por la fase a. Las fases b y c de ambos secundarios se conectan a sendos circuitos 3, formando una linea de 4 conductores. La fase a10 en el secundario de uno de los transformadores de la subestación 1 se pone a tierra y los neutros de ambos transformadores de la subestación 1 se aislan de tierra. En el otro extremo de la linea la subestación 4 alberga otros dos transformadores cuyos lados de linea se conectan entre sí y a la linea 3 de igual manera que en el extremo 1. La figura 4B muestra otro modo de realización de los transformadores en la subestación 1 de la figura 4A, habiendo solo un transformador de tres devanados con dos secundarios.
La figura 4C muestra el diagrama fasorial correspondiente a los sistemas trifásicos en los secundarios de sendos transformadores en la subestación 1 (figura 4A), en el que se observa que el sistema trifásico de tensiones fase-neutro está en oposición con Las tensiones fase-fase de un mismo sistema están equilibradas, pero las tensiones fase-tierra no:
Las tensiones entre las fases homónimas de ambos sistemas tienen un
valor doble que la tensión fase-fase:
Con esta disposición se consigue aproximadamente duplicar la potencia natural o característica, definida como siendo U la tensión nominal de la linea, L la inductancia por unidad de longitud y C la capacidad por unidad de longitud. Es fácil deducir la siguiente expresión a partir de la anterior
siendo potencia aparente para una corriente / cualesquiera: Q L = 3ωLΙ 2 : potencia reactiva consumida por la linea por unidad de longitud debido a la inductancia serie para una pulsación ω ; y Q c = ωCU 2, potencia reactiva cedida por la línea por unidad de longitud debido a la capacidad paralelo. Esta fórmula alternativa, igual de válida para una linea trifásica, es aplicable para la nueva linea propuesta ya que viene dada en función de magnitudes que existen en ambos tipos de linea (no es el caso de la definición original de P n , ya que para la configuración propuesta no es tan directo definir una inductancia serie o capacidad paralelo por unidad de longitud).
Otros modos de realización
La figura 5A muestra otra realización de la invención, en la que n=4 y el número de conductores de la línea es n+2 = 6. Las fases alo (a1f) y a2o (a2/) se conectan entre sí. Igualmente ocurre con las fases do (c1f) con c3o (c3f) y tilo (b2f ) con b4o (b4f)
En caso de fallo de algún transformador en cualquiera de los dos extremos la linea 3 puede funcionar como doble circuito trifásica, estando alimentado cada circuito por un transformador La figura 5B muestra el diagrama fasorial correspondiente a los sistemas trifásicos en los secundarios de los transformadores en la subestación 1 (figura 5A), en el que se observa que los sistemas trifásicos de tensiones fase-neutro están en oposición dos a dos. Las tensiones fase-fase de un mismo sistema están equilibradas, pero las tensiones fase-tierra no. La tensión más elevada entre fases es
Otro modo de realización se muestra en la figura 6A. Las fases alo (a1r) y a2o (a2f) están conectadas entre si Igualmente ocurre con las fases b 1O (b1f ) y b3o (b3f) y con c 1o (c1/) y c4o (o4f). Al igual que en el caso anterior, es inmediato convertir la línea 3 en una trifásica doble circuito mediante la aparamenta apropiada.
La figura 6B muestra el diagrama fasorial correspondiente a los sistemas trifásicos en los lados de linea de los transformadores en la subestación 1 (figura 6A). en el que se observa que los sistemas trifásicos de tensiones fase-neutro están en oposición dos a dos. Las tensiones fase-fase de un mismo sistema están equilibradas, pero las tensiones fase-tierra no. La tensión más elevada entre fases es