ALTERNATIVAS NO CONVENCIONALES PARA TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA Sistema de transmisión hexa!si"a
RES#MEN$ El crecimiento continuo de la demanda de energía eléctrica, obliga a los sectores encargados del servicio de suministro eléctrico a maximizar la densidad de pote potenc ncia ia tran transm smit itid ida. a. Much Muchos os méto método dos s se han han estudiado y una de las formas de llegar a este objetivo es el uso de más de tres fases en los sistemas de transmisi transmisin, n, conocidos conocidos como sistemas sistemas multifási multifásicos. cos. !demás, esta alternativa también es indicada para a"uellas regiones donde el costo de terrenos para franja de servidumbre es excesivamente elevado ya "ue con los sistemas multifásicos, los re"uisitos de aislamiento y espaciamiento entre fases se reducen considerablemente.
manteniendo la misma franja de servidumbre y se 'a enco encont ntra rado do que el de ( fase fases s y el de )* fases fases,, en particular, son bastantes prometedores. &no &no de los los prim primer eros os anál anális isis is de viab viabil ilid idad ad de transmisión multifásica se llevó a cabo por +. te-ard y . /ilson del epartamento de Energía de EE&& en )011. 2os resultados de los análisis análisis de viabilidad fueron sufici suficient enteme emente nte favora favorable bles s que el epart epartame amento nto de Energí Energía a de EE&& EE&& y la 3nvest 3nvestiga igació ción n Energé Energétic tica a del Estado Estado de 4ueva 4ueva 5or6 or6 y la #utor #utorida idad d de esarr esarroll ollo o !45E7#% patrocinaron la construcción de la línea de prueba de seis fases y de doce fases en 8alta, 4ueva 5or6.
#on esto también se eleva la capacidad de transmisin de potencia, se eleva la estabilidad estática de la línea, se reduce reduce la difere diferenci ncia a de ángulo ángulo de fase fase entre entre los voltajes del extremo transmisor y receptor, y reduce el costo costo de transmisi transmisin n de potencia potencia mayor. mayor. $ambién $ambién se discuten desventajas de la tecnología propuesta.
PALA%RAS PALA%RAS CLAVES$ sistemas multifásicos, capacidad de tran trans smisi misión ón,, servidumbre.
esta estabi bili lida dad d
está estáti tica ca,,
fran franja ja
de
& INTROD#CCIÓN El Como el requerimiento de demanda de energía eléctrica va en aumento, los problemas relacionados con el flujo flujo de energí energía a y la estabi estabilid lidad, ad, en partic particula ularr la estabilidad de la tensión son de vital importancia en los niveles de EH !E"tra #lta $ensión% y &H !<ra #lta $ensión% nsión% debido debido a su sensib sensibili ilidad dad a los cambios cambios de potencia real y reactiva. En este este sentid sentido o los sistemas sistemas de trans transmis misión ión de energí energía a multif multifase ase se 'an invest investiga igado do como como posibl posible e alternativa para aumentar la capacidad de transmisión sin aumentar aumentar las tensione tensiones s del siste sistema ma que ya 'an llegado muy alto nivel, es decir EH y &H. #demás, debido a las limitaciones en la disponibilidad de tierras para para la fran franja ja de serv servid idum umbr bre e y otro otros s prob proble lema mas s ambientales, un conjunto renovado de interés está en movimiento en busca de técnicas y tecnologías para la mejora mejora en la capaci capacidad dad de transp transport orte e de energí energía a del sistema sistema e"istente e"istente a través través de los sistemas sistemas multifase multifases s
'i()ra &* %istemas de transmisin multifásico. multifásico. El de la derecha es un sistema de &' fases y el de la i z"uierda corresponde a uno de ( fases.
2as caract caracterí erísti sticas cas princi principal pales es de los sistem sistemas as multifásicos son9 : En los sist sistem emas as de seis seis fase fases, s, las las tens tensio ione nes s fase:fase son iguales a los voltajes de fase a tierra. : ;ara ;ara los siste sistema mas s multif multifás ásic icos os mayor mayores es a seis seis fases, fases, las tensiones tensiones fase:fase fase:fase entre fases fases adyacente adyacentes s son más bajas que las tensiones fase:tierra. Esta es la ra<ón por la que siempre en los sistemas de m=ltiples fases, fases, las tensio tensiones nes de fase fase a tierra tierra:se :se toman toman como como referencia. ;ara este =ltimo punto se puede observar la ta+,a &, donde donde se encuen encuentra tran n las compar comparaci acione ones s entre entre los
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voltajes fase:fase con los voltajes fase:tierra para los sistemas multifásicos en 69
Vol t aj ef aset i er r a Vol t aj ef asef ase
3 6 12 24 36
N 8 0
1 3 8 8 0 4 1 2 1 1 4
1 3 3
2 3 01 3 3 6 9 3 5 2 3
1 9 9
3 4 51 9 91 0 3 5 2 3 5
2 8 9
5 0 02 8 91 4 9 7 5 5 0
4 3 3
7 5 04 3 32 2 41 1 37 5
Ta+,a &* #omparaciones de los voltajes fase)fase con los voltajes fase)tierra para los sistemas multifásicos. Estas relaciones de voltajes se pueden obtener mediante la Ec. !)%
|V ¿|=
√[
2 1−cos
( ) ]| 360
n
V ln|( 1 )
onde9 * ++ > voltaje fase:fase. * + > voltaje fase:tierra. n > n=mero de fases.
'i()ra -* %istemas fasoriales polifásicos- a/ sistemas trifásicos b/ sistemas hexafásicos.
- SISTEMAS .E/A'0SICOS En los sistemas trifásicos de corriente alterna, 'ay tres fasores que se desfasan una con respecto a la otra por )*?@. e manera similar, en los sistemas 'e"afásicos de corriente alterna, 'ay seis fasores que se desfasan una con respecto a la otra por (?@. ;or otro lado, los sistemas que constan de nueve fases tienen nueve fasores que se desfasan una con respecto a la otra por A?@ y los sistemas que constan de doce fases consisten en fasores desfasados por B?@.
'i()ra 1* 0orma de onda de la tensin hexafásica.
'i()ra 2* 0orma de onda de la corriente hexafásica. En los sistemas actuales a=n no se cuenta con una generación 'e"afásica por lo que los sistemas 'e"afásicos solo se ven en la actualidad como un medio de cone"ión entre dos sistemas trifásicos, siempre y cuando sea conveniente el uso de esta.
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podemos reducir el espaciado de la torres ya que 'ay menos requerimiento de aislamiento, así reduciendo el margen de servidumbre !4er i()ra 5%.
'i()ra 3* %istemas trifásicos conectados mediante una
2os sistemas de transmisión 'e"afásica incrementan su densidad de potencia transmitida. 2a densidad de potencia se refiere a la cantidad de potencia que puede ser transmitida bajo una franja de servidumbre dada asumiendo que e"isten limitaciones ambientales y técnicas para la franja de servidumbre.
línea de transmisin hexafásica. En la i()ra 3 se observa que desde un sistema trifásico se convierte mediante transformadores a los sistemas 'e"afásicos, al final de la transmisión, ya que mundialmente se tienen sistemas trifásicos, los sistemas 'e"afásicos se vuelven a transformar a trifásicos. entajas de los sistemas multifásicos sobre el sistema trifásico e"istente9 #l incrementar las fases confiabilidad de los sistemas eléctricos.
aumenta
la
#umento de la capacidad de carga térmica de líneas. 2a capacidad de transmisión de energía es directamente proporcional a la tensión de fase a fase. Como se ve por la relación fasorial, para el mismo voltaje de fase a fase en el sistema trifásico, un sistema de seis fases tiene un aumento del 1BD en la fase a neutro de tensión. ;or lo tanto, se puede observar que, cuando una línea de doble circuito trifásico se convierte en línea de seis fases, la capacidad de potencia se incrementa en un 1BD. En los sistemas de generación multifásicos podemos reducir la construcción física de la máquina, es decir, reducimos la corriente por fase y aumentamos la densidad de potencia. 7educimos la potencia reactiva consumida y pérdidas en las líneas.
u eficiencia de transmisión es más elevada.
3ncrementamos la estabilidad del sistema. &na línea de seis fases puede ser operada en un ángulo de potencia más pequea que una línea trifásica. Esto significa que la línea de seis fases ofrece un mejor margen de estabilidad que su contraparte trifásico 7educimos el costo del derec'o vía, debido a que las torres son de menor tamao. 7educe el campo magnético, eléctrico y el efecto corona. 2a conversión de trifásica doble circuito a seis fases de un solo circuito tiene el efecto de reducir el campo eléctrico en la superficie del conductor para el mismo voltaje de fase a neutro. 2os gradientes de conductores disminuye a medida que el n=mero de fases aumenta para un tamao de conductor dado y la configuración de la torre. ;or lo tanto, el ruido de audio puede ser reducido que a su ve< conduce a una menor interferencia televisión y radio. El n=mero de fases es inversamente proporcional al voltaje de línea a línea, es decir, que
'i()ra 5* !a/ torre de transmisin trifásica de doble circuito. b/ torre de transmisin hexafásica. 2a torre de transmisión 'e"afásica !i()ra 5*6+7% puede transportar la misma potencia que la torre de transmisión trifásica de doble circuito ! i()ra 5*6a7% considerando que ambos tienen el mismo voltaje de fase.
V f 3 =V f 6 =V L 6 ; V L 3 = √ 3 V f 3 ∅
∅
∅
∅
∅
2a má"ima potencia compleja que podrán transmitir la línea 'e"afásica y la línea trifásica son9
S6
∅
¿
= 6 ( V f
¿
I L )= 6 ( V f 3 I L )
6 ∅
∅
¿
S 3 =6 ( V f 3 I L ) ∅
∅
Esto posibilita la transmisión de la misma potencia con estructuras más pequeas a través del sistema 'e"afásico de transmisión. Esto se debe a que con el uso de más fases en la transmisión, los requisitos de aislamiento y espaciamiento entre las fases se reducen considerablemente. #'ora veamos lo que sucede si consideramos que ambos sistemas tendrán el mismo voltaje de línea9
V L 6
∅
= V L = √ 3 V f = V f 3∅
3 ∅
6 ∅
2a má"ima potencia compleja que podrá transmitir la línea 'e"afásica será9
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S 6 =6 ( V f 6 I L )= 6 ( √ 3 V f 3 I L )= √ 3 ( 6 V f 3 I L ) ¿
∅
¿
∅
∅
¿
∅
;or lo tanto, con la transmisión de seis fases se puede transportar la energía 'asta un 1BD más que una línea de doble circuito trifásico en el mismo margen de servidumbre. Ftra importante ventaja de los sistemas multifásicos es que con la compactación de las líneas al aumentar el n=mero de fases se reduce la reactancia de secuencia positiva !G)*%, aumentando el límite de estabilidad de la línea de transmisión, considerando la Ec. !*% se puede graficar las curvas de potencia para un sistema de tres fases, de seis fases y de doce fasesI y observar que la estabilidad transitoria de las líneas van aumentando conforme aumenta el n=mero de fases ! i()ra 8%.
P=
|V ||V |sin δ 1
2
X 12
(2 )
$odas las normas están estandari
1 TRANS'ORMACIÓN DE TRI'0SICA A .E/A'0SICA El método más viable para la producción de seis fases es mediante el uso de tres fases para seis fase banco de transformadores de conversión. # seis de fase a fase o de tres en tres fases para transformador de conversión de seis fases puede ser construido mediante dos técnicas. 5a que a=n no se cuenta con generadores síncronos 'e"afásicos. En primer lugar, seis de una sola fase idéntica dos transformadores de bobinado pueden estar conectados para formar banco de transformadores cinco y cincuenta y siete:fase. En segundo lugar, tres de una sola fase idéntica transformadores de tres devanados pueden estar conectados entre sí para formar banco de transformadores cinco y cincuenta y siete:fase. $ensión y magnitud de la corriente depende de las cone"iones bobinados. Hay muc'as maneras de conectar estos bobinados. #lgunos de ellos son i% doble delta ii% estrella doble iii% dimetrical. 2a cone"ión dimetrical se utili
'i()ra 8* #urvas de potencia. esventajas de los sistemas multifásicos sobre el sistema trifásico e"istente9
'i()ra 9* #onexin doble estrella.
2a falta de e"periencia en la operación y mantenimiento de un sistema de seis fases. ado que la transmisión de seis fases es una idea nueva y no 'ay otros países en este mundo lo utili
'i()ra :* #onexin doble delta.
El modelado matemático es más complejo
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fases. 2a conversión planteó una tensión fase a tierra de ((:0B 6 con un correspondiente aumento del A?D en el límite de potencia térmica. 2a impedancia de la línea en p.u. disminuye, y el aumento de impedancia de carga es apro"imadamente el doble. Este aumento de la capacidad demuestra que el uso de seis fases para el aumento de la tensión en las líneas de doble circuito e"istente es factible. &n voltaje más alto en seis fases no se consideró debido al conductor de BB(.A 6cmil e"istente en la línea no lo permite.
'i()ra &;* #onexin dimetrical.
2 LO <#E A=N 'ALTA En cuanto a estudio económico9 En estudios anteriores se llegaron a los siguientes resultados9 :
El costo de líneas de B fases es KB.L(A,B1 &M6m y costo total es de K.BL(.AB1 &.
:
El costo de líneas de ( fases es AB.KBL,?A &M6m y todo el costo de sistemas de ( fases es )?.?1K.1?B,?L &.
:
$odos los estudios en la actualidad se 'an implementado usando un generador de B fases a líneas de ( fases.
:
En la actualidad se están investigando generadores con superconductores para aumentar la densidad de potencia de los mismos.
:
#l reali
3 E>EMPLOS DE PRO?ECTOS DE SISTEMAS DE TRANSMISIÓN .E/A'0SICA* 2a Corporación 4e- 5or6 tate ElectricI tiene *,A 6ilómetros a ))K 6 desde Joudey:Fa6dale línea de doble circuito e"istente se 'a convertido a 0B 6 de seis
8ientras que la línea de transmisión de impedancia por unidad disminuyó con la conversión, la impedancia total de e"tremo a e"tremo entre los nodos trifásicos aumenta debido a la adición de impedancias de los transformadores de conversión de fase, que resulta en un flujo de potencia disminuido después de la conversión. ;ara una línea de más de *.A 6m, o diferentes aplicaciones tales como una cone"ión radial para una generación de estación, la impedancia del transformador podría ser un factor menos importante. 2a línea Joudey:Fa6dale se comportó como se esperaba con las seis fases, donde se plantean problemas operativos para la transmisión de tres fases. 2a línea opero durante los tres aos de períodos e"perimentales demostrando el punto fundamental de que la transmisión de seis fases podría integrarse y funcionar dentro de un sistema de transmisión de tres fases. El correcto funcionamiento de la línea, como se predijo por los estudios analíticos, es el resultado más valioso y fundamental del proyecto.
5 ANALISIS DE 'ALLAS EN SISTEMAS .E/A'0SICOS* E"iste un total de )*? combinaciones de fallas y *B tipos de falla =nicos en un sistema de seis fases, debido al cambio de ángulo de fase y aumento de n=mero de fases. ólo 'ay K tipos de fallas y )) combinaciones de fallas en el sistema trifásico. ;or esta ra<ón, la protección para sistemas de transmisión multifásicos es muc'o más complicada que el del sistema de tres fases. #unque las e"periencias de investigación y de campo están evolucionando para los sistemas multifásicos en cuanto al análisis de fallas y en cuanto a protección, no está claro que la tecnología e"istente proporciona una protección adecuada para la transmisión multifásica.
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esde las subestaciones son esencialmente similares a e"cepción de las ba'ías de transformadores y líneas de celdas de alimentación, los demás costos fueron asumidos igual y sólo los elementos anteriores se tuvieron en cuenta al considerar los costos de terminales. 7eali
Ta+,a -* $ipos de fallas de los sistemas de transmisin hexafásicos.
# la lu< de este 'ec'o, a una distancia de equilibrio de **K,L( 6ilometros está bien dentro de la longitud de línea de una línea A??N típica, y representaría un a'orro de 7)0.)1million !en moneda de udáfrica 7and, los datos son del ao )00L%. i se tiene en cuenta, además, que las torres de suspensión transversal cuerda usados para la línea de Camden:uv'a son los más baratos utili
Ta+,a 1* $ipos de fallas de los sistemas de transmisin trifásicos.
8* CONSIDERACIONES ECONÓMICAS$ 2a economía es el parámetro más importante para evaluar cualquier proyecto. ;ara un sistema de transmisión de seis fases de que el costo del cable de transmisión se minimi
8*& DISTANCIA DE E<#ILI%RIO$ Es el punto de distancia a la que el coste para la línea ( de fase es igual al coste del sistema de transmisión B:fase.
9 CONCL#SIONES e concluye que la transmisión de seis fases es una posible solución a las limitaciones que se ofrecen en la mejora la capacidad de transferencia de potencia trifásico debido a la no disponibilidad de franja de servidumbre suficientemente grandes para las líneas de transmisión trifásicas de doble circuito, limitaciones de los campos eléctricos y campos magnéticos debido a riesgos de salud y proporciona una solución rentable de actuali
Este caso se refiere a un punto de equilibrio económico entre un )1BN, línea de ( fases y un A??N, línea B:fase similar a la línea de Camden:uv'a pero no restringido de longitud. ;ara 'acer la comparación más a=n, esta línea fue asumida para conectar dos sistemas de )B* 6 de B fases, que 'arían necesario la transformación de ambos sistemas y equipos terminales asociados.
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transmiss6o hexafásica2, &niversidade Rederal de anta Catarina, )0LL.
&5 %I%LIOGRA'ÍA )
Qin 8ustafa, 8o'd /a
)
;ierre:Qrian, J. $. Heydt, 13ncreased security rating of overhead transmission circuits using compact phase design and high phase order2, 3EEE.
)
eng, Gianda, 1Exploring six)phase transmission lines for increasing po4er transfer 4ith limited right of 4ay2, #ri
)
3ssicaba, +osé, 1$ransforma56o de uma linha de transmiss6o circuito duplo trifásica em linha de
)
Coutin'o /inc6 Cru<, Catarina Qebiano, 1Estratégias de mitiga56o do campo magnético originado por linhas aéreas de transmiss6o de energia2, &niversidade $écnica de 2isboa, *??0.
)
ing', 2. ;., 1!dvanced 7o4er %ystem !nalysis and 8ynamicsS, 4e- #ge 3nternational, *??(. TEn líneaU. isponible en9 'ttps9MMboo6s.google.com.pyMboo6s
)
Jonen, $uran, 1Electrical 7o4er $ransmission %ystem Engineering- !nalysis and 8esign2, C7C ;res, *?)A. TEn líneaU. isponible en9 'ttps9MMboo6s.google.com.pyMboo6s
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