Desequilibrio de tensión en redes de alta tensión: sistema interconectado principal de Omán
| Red | Sistema Interconectado Principal de Omán (MAL) - 132 subtransmisión kV |
| Puntos de medición | Tres estaciones de red de alta tensión que abastecen a las tres principales zonas industriales del MIS de Omán |
| Parámetros medidos | Desequilibrio de voltaje y corriente: comparado con los límites del código de distribución internacional y omaní |
| Resultado del desequilibrio de voltaje | Dentro de los límites — Red de servicios públicos de alta tensión bien equilibrada a nivel de transmisión |
| Normas aplicadas | IEEE 519 · EN 50160 · Código de distribución de Omán |
| Valor clave | Establece una línea de base: el suministro de alta tensión de la red pública está limpio: cualquier desequilibrio observado en los terminales del equipo se origina aguas abajo, no del sistema de transmisión |
| Contexto de red | Omán MIS atiende cargas industriales, incluida la fundición de aluminio, acero, y cemento: todos ellos contribuyentes importantes a las perturbaciones de la calidad de producción. |
01 Contexto y antecedentes
Este estudio de caso presenta los resultados de las mediciones de desequilibrio de tensión realizadas a nivel de transmisión y subtransmisión en el sistema interconectado principal de Omán. (MAL) — la red eléctrica primaria que da servicio a los principales centros de carga industriales y urbanos del Sultanato. El estudio de Albadi et al.. (2015), presentado en la Conferencia Internacional IEEE sobre Tecnología Industrial, es uno de los pocos relatos publicados sobre la evaluación sistemática del desequilibrio de voltaje en 132 Nivel kV HV en una red de Oriente Medio en rápida industrialización.[1]
El MIS de Omán se caracteriza por una combinación de cargas que presenta importantes desafíos en materia de calidad de precio.: Grandes cargas industriales, incluidas fundiciones de aluminio., plantas siderúrgicas, y fábricas de cemento, todas las cuales son fuentes importantes de distorsión armónica, parpadeo, y desequilibrio de voltaje: están conectados a la misma red de transmisión que sirve a clientes residenciales y comerciales.. Cuantificar el desequilibrio a nivel de AT es esencial para comprender si la fuente del desequilibrio observado en los terminales de equipos industriales es el sistema de transmisión de servicios públicos o la propia red de distribución industrial..
La mayoría de los estudios de desequilibrio de tensión se centran en las redes de distribución de BT o MT, donde los efectos en los motores y equipos se sienten más directamente.. Pero el desequilibrio en los terminales de BT es la suma del desequilibrio a nivel de transmisión más el desequilibrio a nivel de distribución más el desequilibrio interno de las instalaciones.. La medición a nivel de estación de la red de alta tensión separa la contribución de la transmisión de servicios públicos de las contribuciones de distribución y de las instalaciones.. Si el nivel HV está equilibrado, la red de servicios públicos no es la causa raíz; la investigación debe mirar hacia abajo.
02 Desequilibrio de voltaje: teoría e índices
Definición: ¿qué es el desequilibrio de voltaje??
Un sistema de energía trifásico funciona idealmente con tres fasores de voltaje iguales en magnitud y separados exactamente por 120° en ángulo de fase.. El desequilibrio de voltaje ocurre cuando las magnitudes difieren entre fases, los ángulos de fase entre fases consecutivas difieren de 120°, o ambas condiciones están presentes simultáneamente.[1]
En la práctica, El desequilibrio surge de una combinación de asimetría de la red. (líneas de transmisión no transpuestas, impedancias desiguales del transformador) y asimetría de carga (cargas monofásicas, unbalanced three-phase loads, hornos de arco, traction systems). The resulting unbalanced three-phase system can be decomposed into three symmetrical sequence components using Fortescue’s theorem:
- Positive-sequence component — the balanced forward-rotating component (same rotation as the generator)
- Negative-sequence component — a balanced backward-rotating component (opposite rotation to the generator)
- Zero-sequence component — three equal in-phase phasors (no rotation, only present in systems with a neutral conductor)
Dos definiciones: IEC vs.. NO
La definición de componentes simétricos IEC (VUF = V₂/V₁ × 100%) es el método preferido internacionalmente y se utiliza en EN 50160 e IEC 61000-2-2. Requiere medición fasorial. (tanto magnitud como ángulo) y es la definición físicamente más significativa porque el voltaje de secuencia negativa es directamente responsable de los efectos nocivos en motores y otros equipos trifásicos..[2]
La definición de NEMA (Desviación máxima de cualquier voltaje de fase de la media., dividido por la media) solo requiere mediciones de magnitud de voltaje y se usa ampliamente en América del Norte para evaluaciones de campo. Para pequeños desequilibrios (debajo aproximadamente 3%), ambos métodos dan resultados numéricamente similares. Para desequilibrios mayores o casos con asimetría de ángulo significativa, el método IEC proporciona una caracterización más precisa.[3]
03 Metodología de medición
Se realizaron mediciones de desequilibrio de tensión y corriente en tres estaciones de la red de alta tensión en el MIS de Omán.. Cada estación de la red abastece a una de las tres principales zonas industriales del sistema., Hacer que los puntos de medición sean representativos del entorno PQ en la interfaz entre el sistema de transmisión y la red de subtransmisión/distribución industrial..[1]
La metodología de medición siguió estándares internacionales para la evaluación de PQ en alta tensión.. El desafío clave en 132 kV es que la medición directa no es posible: transformadores de medida de tensión y corriente (TT y TC) Se utilizan para reducir las señales a voltajes y corrientes a nivel de instrumento., que requiere la verificación de la clase de precisión del transformador de instrumentos para garantizar que los valores de desequilibrio medidos no sean artefactos de errores del transformador en lugar de una asimetría real de la red..
En 132 kV, un 1% El desequilibrio de voltaje corresponde a una diferencia de voltaje entre fases de aproximadamente 760 En. Transformadores de instrumentos con clase de precisión. 0.2 o mejores para resolver este nivel de desequilibrio de manera confiable. una clase 0.5 VT introduce una incertidumbre de medición de ±0,5%, potencialmente comparable al desequilibrio que se está midiendo.. Esta es la razón por la que las mediciones de desequilibrio de alta tensión requieren documentación explícita de la clase de precisión del transformador de medida., y por qué el desequilibrio aparente en el nivel HV por debajo del 0,5% al 1% debe interpretarse con precaución.
Los datos de desequilibrio medidos se compararon con los límites especificados en el código de distribución de electricidad de Omán y en las normas internacionales aplicables. 50160 (límite: VUF ≤ 2% para 95% de cualquier período de una semana) y IEEE 519-2014 (que aborda los límites armónicos pero hace referencia a los mismos 2% umbral de desequilibrio a efectos de planificación).[2][4]
04 Hallazgos clave
Desequilibrio a nivel de transmisión: dentro de límites
The voltage and current unbalance measurements at all three HV grid stations in the Oman MIS were within the limits specified by the Omani distribution code and the applicable international standards (EN 50160, IEEE 519). The transmission system, despite serving large and potentially unbalancing industrial loads, maintained its three-phase voltage symmetry within the 2% VUF threshold at the grid station measurement points.[1]
| Measurement point | Desequilibrio de voltaje (VUF) | EN 50160 límite | Omani code limit | Conformidad |
|---|---|---|---|---|
| Grid Station A — Industrial Area 1 | Within limit — exact value not published | ≤ 2% (95th %ile) | ≤ 2% | COMPLIANT |
| Grid Station B — Industrial Area 2 | Within limit — exact value not published | ≤ 2% (95th %ile) | ≤ 2% | COMPLIANT |
| Grid Station C — Industrial Area 3 | Within limit — exact value not published | ≤ 2% (95th %ile) | ≤ 2% | COMPLIANT |
| Fuente: Albadi et al. (2015). Measurements at 132 kV grid stations in Oman MIS. Exact numerical values not published in publicly available abstract; compliance status confirmed. | ||||
The fact that the Oman MIS HV network is within unbalance limits at the grid station level is an important baseline finding. It means that if voltage unbalance problems are observed at industrial equipment terminals in these areas — motor overheating, protection relay misoperation, capacitor bank problems — the source is not the utility transmission system. It is the industrial distribution network between the grid station and the equipment: unequal single-phase loading, non-transposed feeders, blown capacitor fuses, or poorly balanced three-phase motor loads. The utility is delivering a balanced supply. This immediately redirects the engineering investigation from the utility to the facility.
Current unbalance — a separate indicator
Current unbalance was also measured alongside voltage unbalance. El desequilibrio actual es una cantidad del lado de la carga: refleja la asimetría de las cargas conectadas en lugar de la asimetría de la red de suministro.. Un voltaje de suministro equilibrado con corrientes de carga desequilibradas indica que cargas monofásicas o trifásicas desiguales están creando flujos de corriente asimétricos en el sistema de distribución., que a su vez producen pequeños desequilibrios de tensión a través de la impedancia de la red..[1]
La relación entre el desequilibrio de corriente y el desequilibrio de voltaje depende de la impedancia de la red en el punto de medición.. En la estación de red HV (alto nivel de cortocircuito, baja impedancia de fuente), Incluso un desequilibrio de corriente significativo de cargas industriales produce solo un pequeño desequilibrio de voltaje en el bus, razón por la cual las mediciones de alta tensión están dentro de los límites, aunque la red de distribución aguas abajo puede mostrar un desequilibrio más significativo a niveles de voltaje más bajos..
05 Efectos del desequilibrio de voltaje
El estudio proporciona una revisión exhaustiva de los impactos negativos del desequilibrio de tensión., que forman la base de ingeniería para el 2% Límite de VUF en estándares internacionales.:[1]
Motores de inducción: la víctima más sensible
Los motores de inducción son el tipo de equipo más afectado por el desequilibrio de tensión. El componente de voltaje de secuencia negativa. (V₂) impulsa un campo magnético giratorio en dirección opuesta al campo de secuencia positiva. En el marco de referencia del rotor, el campo de secuencia negativa gira aproximadamente al doble de la velocidad síncrona; el rotor ofrece una impedancia muy baja a este componente, lo que resulta en grandes corrientes de rotor de secuencia negativa a partir de un pequeño voltaje de secuencia negativa.
Other affected equipment and systems
- Three-phase rectifiers and drives — unbalanced supply voltage produces unequal conduction angles in rectifier diodes or thyristors, generating non-characteristic harmonic orders and increasing output ripple
- Los transformadores de potencia — negative-sequence currents increase winding losses and core saturation. Transformer protection (differential relays) may produce spurious trips under severe unbalance conditions
- Power factor correction capacitors — unbalanced voltages produce unequal reactive current distribution across capacitor phases. A blown fuse on one phase of a capacitor bank is both a cause and an amplifier of voltage unbalance
- Sistemas de protección — los relés de distancia y los esquemas de protección diferencial se basan en supuestos de voltaje equilibrado. El desequilibrio persistente puede causar un mal funcionamiento del relé o desensibilización.
- Medición de energía — los sistemas desequilibrados requieren una verdadera medición trifásica. Las configuraciones de medición monofásicas o de dos elementos introducen errores de medición en condiciones de desequilibrio
06 Técnicas de mitigación
El estudio revisa los principales enfoques de mitigación del desequilibrio de tensión., que se dividen en tres categorías según su punto de aplicación:[1]
| Técnica | Mecanismo | Aplicable a | rango de costos |
|---|---|---|---|
| Equilibrio de carga | Redistribución de cargas monofásicas entre fases para ecualizar el consumo de corriente por fase | Instalaciones comerciales e industriales.; alimentadores de BT residenciales | Bajo: medida operativa |
| Transposición de red | Rotación sistemática de las posiciones de los conductores de fase a lo largo de una línea para igualar las impedancias mutuas en toda su longitud. | Líneas de transmisión de alta tensión con asimetría geométrica inherente | Medio: costo de construcción |
| Compensador VAR estático (SVC) | Inyección de potencia reactiva controlable independientemente en cada fase para compensar la demanda reactiva asimétrica | Grandes cargas monofásicas (hornos de arco, tracción, calentamiento por inducción) | Alto: entre 1 y 5 millones de dólares |
| STATCOM | Convertidor de fuente de voltaje con control por fase: respuesta más rápida que SVC, mejor rendimiento bajo desequilibrio dinámico | Cargas industriales con desequilibrio rápidamente variable. | Alto: entre 2 y 8 millones de dólares |
| reducción de potencia del motor | Operar motores por debajo de la clasificación nominal para mantener los márgenes térmicos bajo un desequilibrio persistente: no es una mitigación, sino una medida de protección. | Instalaciones de motores existentes donde no se puede eliminar el desequilibrio | Capital cero: coste de producción |
| Transformador Scott-T o Le Blanc | Convierte carga monofásica (tracción) a un equivalente bifásico equilibrado, Reducir el desequilibrio de la red debido al suministro ferroviario. | Sistemas de tracción ferroviaria eléctrica. | Medio: costo del transformador |
Antes de especificar cualquier equipo de compensación activa por desequilibrio de tensión, El primer paso es siempre una auditoría de carga sistemática: identificar qué cargas monofásicas están creando el desequilibrio., y si es factible reequilibrarlos entre fases. En muchas instalaciones industriales, El desequilibrio es simplemente el resultado de adiciones históricas de carga monofásica a cualquier fase que tuviera capacidad adicional en el momento de la instalación.. Un ejercicio de reequilibrio sistemático no cuesta nada en capital y puede reducir el desequilibrio entre un 50% y un 80% antes de considerar cualquier electrónica de potencia..
07 Perspectiva de la calidad de la energía
Este estudio ocupa una posición específica y valiosa en la literatura de estudios de casos de PQ.: Es uno de los pocos relatos publicados sobre la medición sistemática del desequilibrio de tensión en el nivel de transmisión de alta tensión en una red en rápida industrialización.. El hallazgo de que la red MIS HV de Omán está dentro de los límites internacionales, a pesar de prestar servicio a grandes, cargas industriales potencialmente desequilibrantes: proporciona una base importante.
Desde una perspectiva de ingeniería de servicios públicos, La idea clave es el argumento de la impedancia.: El bus de red HV tiene una alta capacidad de cortocircuito., lo que significa que su voltaje es rígido y resistente a la distorsión causada por corrientes de carga desequilibradas.. La misma corriente de carga que produce una 2% El VUF en un alimentador de baja tensión débil podría producir solo entre un 0,1 % y un 0,2 % de VUF en el momento del suministro. 132 barra kV. Esto explica por qué el sistema de transmisión parece equilibrado mientras que los equipos conectados a la distribución experimentan un desequilibrio significativo: el desequilibrio es creado por cargas e impedancias a nivel de distribución., no transmitido desde el sistema HV.
El lugar donde se mide el desequilibrio de voltaje determina lo que se encuentra. Medir en el 132 Estación de red kV: encontrará un suministro equilibrado. Medir en el 11 Bus de distribución de kV: es posible que encuentre entre 0,5 % y 1,5 % de VUF debido a la asimetría del alimentador. Mida en los terminales del motor en una planta industrial; puede encontrar entre un 2% y un 4% de VUF debido al desequilibrio de carga interna. Las tres medidas son correctas: están midiendo cosas diferentes.. Una evaluación de ingeniería que concluye “el suministro de servicios públicos está equilibrado” de una medición HV, sin medir en los terminales del equipo, se pierde toda la historia.
El Albadi et al.. estudio demuestra exactamente el tipo de sistematización, Medición de PQ basada en estándares a nivel de transmisión que rara vez se publica pero es de importancia crítica para la planificación de servicios públicos.. Los datos de referencia del MIS de Omán confirman que la red de transmisión no es la fuente de los problemas de desequilibrio de voltaje reportados en las áreas industriales a las que presta servicios, lo cual es un hallazgo con implicaciones operativas directas.: El esfuerzo de ingeniería debe centrarse en la red de distribución y la gestión de carga de las instalaciones., no en el sistema de transmisión. Esta es la perspectiva de las empresas de servicios públicos que la mayoría de los estudios de PQ del lado de las instalaciones pasan por alto..
Referencias
- Albadí MH, Al Hinai AS, Al-Badi AH, Escuela Secundaria Al Riyami, Al Hinai SM, Al Abri RS. “Desequilibrio en los sistemas de energía: revisión y estudio de caso de MIS en Omán.” Actas de la Conferencia Internacional IEEE sobre Tecnología Industrial (ICIT 2015), Sevilla, España, pp. 1407–1411, Marzo 2015. DOI: 10.1109/CICI.2015.7125294
- EN 50160:2010+A3:2019. Características de tensión de la electricidad suministrada por las redes eléctricas públicas.. CENELEC, Bruselas.
- SIN MG-1-2021. Motores y Generadores. Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos, Rosslyn, Virginia.
- IEEE Std 519-2022. Estándar IEEE para control de armónicos en sistemas de energía eléctrica. IEEE, Nueva York, Nueva York, 2022.
- IEC 61000-2-2:2002+AMD1:2017. Compatibilidad electromagnética (EMC) - Parte 2-2: Niveles de compatibilidad para perturbaciones conducidas de baja frecuencia en sistemas públicos de suministro de baja tensión. IEC, Ginebra.
Albadí MH, Al Hinai AS, Al-Badi AH, Escuela Secundaria Al Riyami, Al Hinai SM, Al Abri RS. “Desequilibrio en los sistemas de energía: revisión y estudio de caso de MIS en Omán.” IEEE ICIT 2015, pp. 1407–1411.
DOI: 10.1109/CICI.2015.7125294 · Ver en Semantic Scholar →
Este estudio de caso se presenta en forma de resumen y comentario con fines educativos.. La publicación original es un artículo de una conferencia del IEEE.; los derechos de autor pertenecen a IEEE. La sección Perspectiva PQ (Sección 7) y los diagramas SVG son contenido editorial original de IPQDF de Denis Ruest, Maestría en Ciencias. (Aplicado), P.Eng. (retirado.). IPQDF no reivindica la autoría de la investigación original.