Método de análisis del desequilibrio de una red eléctrica trifásica.

Método de análisis del desequilibrio de una red eléctrica trifásica formada por tres conductores activos (11),

que comprende las etapas de:

- entre los puntos de conexión de la red eléctrica (15) correspondientes a cada par de conductores activos (11), medir el valor eficaz de la tensión fase-fase;

- anotar el valor eficaz asignado o nominal de tensión de la red eléctrica (Urtd),

- a partir de los tres valores eficaces de tensión fase-fase, calcular su valor medio aritmético (Uavg) y seleccionar el valor eficaz más alejado numéricamente, por exceso o defecto, (Umaxdev) de dicho valor medio aritmético (Uavg);

- obtener un índice que represente el nivel de tensión en los puntos de conexión de la red eléctrica (15);

- obtener un índice que represente la discrepancia entre el valor eficaz más alejado numéricamente (Umaxdev) y el valor medio aritmético (Uavg);

- obtener un índice que represente la desviación angular entre la tensión fase-fase de un primer par de conductores activos (11) y la tensión fase-fase de un segundo par de conductores activos (11);

- a partir de dichos tres índices, clasificar el desequilibrio de la red de tensión trifásica.

MÉTODO DE ANÁLISIS DEL DESEQUILIBRIO DE UNA RED ELÉCTRICA TRIFÁSICA

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo del transporte y de la distribución de energía eléctrica y, más concretamente, al de la medida y el análisis del desequilibrio de redes eléctricas trifásicas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La calidad de la energía eléctrica es un asunto de gran importancia tecnológica y económica para los operadores eléctricos y para los consumidores de los sectores industrial, comercial y residencial. Una calidad deficiente conlleva pérdidas económicas considerables, y un extenso catálogo de disfunciones operativas y perjuicios técnicos en la mayor parte de los equipos alimentados.

Entre las perturbaciones de la calidad de onda en redes trifásicas se encuentra la desigualdad de los valores de las tensiones de alimentación (o tensiones de la red o tensiones del sistema, indistintamente) respecto del valor asignado de la red (UrJd) . Es la perturbación denominada desequilibrio de tensión trifásico. Se entiende que tanto este valor de tensión de alimentación como los valores de tensión que se mencionan a lo largo del documento, son valores eficaces de tensión de la onda sinusoidal correspondiente.

Las definiciones normalizadas del concepto de desequilibrio de tensión más extendidas internacionalmente, han sido editadas por la Comisión Electrotécnica Internacional (lEC) en su Vocabulario Electrotécnico Internacional (IEV) [1] y por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) en su Diccionario Autorizado de Términos Estándar IEEE [2].

de tensión de un sistema trifásico En relación al desequilibrio de tensión de un sistema trifásico se encuentra la definición normalizada lEY 603-02-19, relativa al área de la gestión y planificación de sistemas de potencia en la generación, transmisión y distribución de la electricidad (cálculo de redes) , Ésta es una definición general que corresponde a todos los sistemas polifásicos, siendo aplicable al caso particular de tres fases (trifásico) . Esta definición estipula que el régimen desequilibrado de una red polifásica es el estado en el cual las tensiones y/o corrientes en los conductores de fase no forman un conjunto polifásico equilibrado.

En el área de la compatibilidad electromagnética (fluctuaciones de tensión y flicker) , y también con un carácter general aplicable al caso trifásico, la definición lEY 161-08-09 establece que el desequilibrio de tensión en un sistema polifásico, es el estado en el cual los valores de las tensiones entre conductores o las diferencias de fase entre conductores, no son todos iguales.

Por otra parte, en el área de la operación en generación, transmisión y distribución de la electricidad (calidad de la alimentación o de la red o del sistema) , la definición lEY 604-01-29 describe el desequilibrio de tensión de un sistema trifásico como un fenómeno debido a las diferencias de desviación de la tensión en las fases, en un punto del sistema polifásico, causadas por diferencias entre las corrientes de las fases, o por asimetría geométrica en la línea.

Por su parte el diccionario autorizado IEEE, haciendo referencia a la norma [3] del área de las aplicaciones industriales de los convertidores electrónicos auto-conmutados, establece la definición de sistema trifásico desequilibrado como aquel sistema en el cual el valor de al menos una tensión (o corriente) de fase o tensión de fase-fase es significativamente diferente de las otras, o en el cual las diferencias angulares de cualquier par de fases difiere significativamente de 120 grados. Termina la definición advirtiendo que en un sistema trifásico desequilibrado existen componentes de secuencia negativa y de secuencia cero.

Obviamente, y para el caso trifásico, estas definiciones se basan en la representación matemática de las tres tensiones mediante números complejos (vectores giratorios o fasores) en el plano de Gauss. De este modo un sistema trifásico equilibrado estará representado por tres fasores de igual módulo cuyos ángulos de desfase son idénticos e iguales a 120 grados sexagesimales. Tanto en equilibrio como en desequilibrio, el carácter giratorio representa la periodicidad temporal de la onda. Dado que solo tiene interés el comportamiento estacionario de un fenómeno a frecuencia constante, se puede obviar el carácter giratorio y se atiende solamente a las posiciones angulares relativas. Es decir, la ubicación de la referencia angular para la medida del ángulo de cada tensión es arbitraria. Por simplicidad es habitual disponer en el origen de ángulos el fasor de tensión más significativo.

Análisis de los sistemas Convencionalmente, el análisis de los sistemas desequilibrados se resuelve aplicando el Método de las Componentes Simétricas [4]. Al aplicar este método en los sistemas de fasores de las tensiones fase-fase, donde la suma de los tres fasores siempre se anula, solamente existen las componentes de secuencia positiva (directa) y negativa (inversa) .

Estos sistemas desequilibrados, donde la suma de fasores es nula, se resuelven en dos sistemas equilibrados que guardan un desfase angular entre ellos. Cada sistema componente es equilibrado y por eso puede ser representado por un único fasor de tensión (los otros dos fasores son de igual amplitud y la distancia angular entre cada pareja del conjunto de tres fasores es 120°) , situando normalmente el fasor asociado a la tensión más significativa en el origen de ángulos.

Por tanto, se deduce fácilmente que para caracterizar unívocamente un sistema trifásico desequilibrado (cuya tema de fasores suman cero) es necesario aportar tres cantidades independientes. Por ejemplo, los dos valores de módulo de las componentes de secuencia positiva y negativa, y la diferencia angular de sus fasores. Sin embargo, estas tres cantidades o cualquier tema de valores conocida en el estado de la técnica no aportan simultáneamente infonnación cualitativa para el operario e infonnación del nivel de tensión.

Valoración del de Debido a que los desequilibrios de tensión provocan efectos adversos, se impone la necesidad práctica de valorar el grado de desequilibrio en cada situación. Es decir, se necesitan índices numéricos que cuantifiquen en cada momento la intensidad de esta perturbación. Por otra parte, estos índices también sirven para adoptar medidas correctoras (mitigación del desequilibrio) , o paliativas de los efectos en los equipos (desclasificación de motores eléctricos) .

Como se ha comentado anterionnente, para caracterizar unívocamente un sistema trifásico desequilibrado es necesario aportar una tema de valores. No obstante, para valorar el grado de desequilibrio es suficiente con aportar dos índices o cantidades, no existiendo en el estado de la técnica dos de ellos que puedan mostrarse conjuntamente y aporten además infonnación útil.

Para la valoración del grado de desequilibrio de tensión de un sistema desequilibrado, las nonnas internacionales han definido diferentes índices numéricos. En la actualidad operan diferentes definiciones nonnalizadas de estos índices (o factores indistintamente) . En innumerables publicaciones se ha expuesto que las diferentes definiciones de estos factores de desequilibrio conducen a resultados numéricos distintos [5], [6] y [7]. También se ha puesto en evidencia que el dato aportado por cualquiera de estos índices, en un caso particular de desequilibrio, es insuficiente para caracterizar unívocamente la tema de fasores de tensión. Es decir, existen múltiples sistemas desequilibrados que comparten el mismo valor de factor de desequilibrio de

tensión, siendo sus condiciones eléctricas diferentes.

Índices de de tensión normalizados El índice de desequilibrio con mayor aceptación internacional, denominado en muchas publicaciones "valor real" del desequilibrio, es la Tasa de Desequilibrio de Tensiones, en inglés "Voltage Unbalance Factor" (VUF) . La IEV 604-01-30 es, desde 1987 [1], su definición normalizada para el área de la operación en generación, transmisión y distribución de la electricidad (calidad de la alimentación o de la red o del sistema) , no obstante, se utiliza de forma generalizada en todas las áreas. Esta definición establece que la tasa de desequilibrio en un sistema trifásico, es el grado de desequilibrio expresado por la relación (en porcentaje) entre los valores de la componente de secuencia negativa (o secuencia cero) y la componente de secuencia positiva de la tensión o de la corriente. En este caso, la definición es aplicada a la tensión y no existe la componente de secuencia cero. Para obtener este índice es necesario aplicar previamente...

1. Método de análisis del desequilibrio de una red eléctrica trifásica formada por tres conductores activos (11) , caracterizado por que comprende las etapas de:

-entre los puntos de conexión de la red eléctrica (15) correspondientes a cada par de conductores activos (11) , medir el valor eficaz de la tensión fase-fase;

-anotar el valor eficaz asignado o nominal de tensión de la red eléctrica (U"dJ.

-a partir de los tres valores eficaces de tensión fase-fase, calcular su valor medio aritmético (Uavg) y seleccionar el valor eficaz más alejado numéricamente, por exceso o defecto, (Urnaxdev) de dicho valor medio aritmético (Uavg) ;

-obtener un índice que represente el nivel de tensión en los puntos de conexión de la red eléctrica (15) ;

-obtener un índice que represente la discrepancia entre el valor eficaz más alejado numéricamente (Urnaxdev) y el valor medio aritmético (Uavg) ;

-obtener un índice que represente la desviación angular entre la tensión fase-fase de un primer par de conductores activos (11) y la tensión fase-fase de un segundo par de conductores activos (11) ;

-a partir de dichos tres índices, clasificar el desequilibrio de la red de tensión trifásica.

2. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el índice que representa el nivel de tensión en los puntos de conexión de la red eléctrica (15) se define como el cociente entre el valor medio aritmético (Uavg) de los tres valores eficaces de tensión fase-fase y el valor eficaz asignado o nominal de la tensión de la red eléctrica (u"dJ.'

u s V L = --""'ª

Urtd

3. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el índice que representa la discrepancia entre el valor eficaz más alejado numéricamente (Urnaxdev) del valor medio aritmético (Uavg) de los tres valores eficaces de tensión fase-fase, y dicho valor medio aritmético (Uavg) es:

u -u

maX ¡/i'l' lll'gADF =

(Il'R

4. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el índice que representa la desviación angular entre la tensión fase-fase de un primer par de conductores activos (11) Y la tensión fase-fase de un segundo par de conductores activos (11) , se define como el cociente entre la diferencia de los dos valores eficaces de tensión diferentes de Umaxdev, y Urnaxdev:

5. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además la etapa de informar del grado de desequilibrio de la siguiente forma:

-informar del tipo de desequilibrio, e -indicar el índice que representa la discrepancia entre el valor eficaz más alejado numéricamente, por exceso o por defecto, (Urnaxdev) del valor medio aritmético (Uavg) , y dicho valor medio aritmético (Uavg) .

6. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende además la etapa de informar del grado de desequilibrio de la siguiente forma: -indicar el índice que representa la discrepancia entre el valor eficaz más alejado numéricamente, por exceso o por defecto, (Uma, , ¡, v) del valor medio aritmético (Uavg) , y dicho valor medio aritmético (Uavg) , e -índicar el índice que representa la desviación angular entre la tensión fase-fase de un primer par de conductores activos (JI) y la tensión fase-fase de un segundo par de conductores,