Modelado pi de líneas eléctricas
El modelado Pi de líneas eléctricas permite representar el comportamiento eléctrico esperado de estas . Se basa en las ecuaciones de los operadores de telégrafos . El cálculo de los parámetros eléctricos utilizados para el modelado se basa en las ecuaciones de Maxwell . El modelo con una sola sección Pi solo es válido para bajas frecuencias y líneas eléctricas cortas, de lo contrario, varias secciones Pi deben conectarse en serie.
Ecuaciones de los operadores de telégrafos
Una parte de una línea eléctrica se puede representar mediante el cuadrupolo opuesto a donde
- La resistencia lineal (por unidad de longitud) del conductor está representada por una resistencia en serie (expresada en ohmios por unidad de longitud).R{\ Displaystyle R}
![R](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4b0bfb3769bf24d80e15374dc37b0441e2616e33)
- La inductancia lineal está representada por un inductor ( Henry por unidad de longitud).L{\ Displaystyle L}
![L](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/103168b86f781fe6e9a4a87b8ea1cebe0ad4ede8)
- La capacitancia lineal entre los 2 conductores está representada por un condensador C en derivación ( Farad por unidad de longitud).VS{\ Displaystyle C}
![VS](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4fc55753007cd3c18576f7933f6f089196732029)
- La conductancia lineal del medio dieléctrico que separa los 2 conductores está representada por una resistencia en derivación ( Siemens por unidad de longitud). La resistencia en este modelo tiene un valor de ohmios.GRAMO{\ Displaystyle G}
1/GRAMO{\ Displaystyle 1 / G}![{\ Displaystyle 1 / G}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d5f35458f37b087cd3c1f7340da90785cbe3448c)
En este modelo, definimos el voltaje en cualquier punto a una distancia x del inicio de la línea y en cualquier momento t el voltaje y la corriente . Las ecuaciones están escritas:
U(X,t){\ Displaystyle U (x, t)}
I(X,t){\ Displaystyle I (x, t)}![{\ Displaystyle I (x, t)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6ce7ffaa3abb61b66f8c38b142ef3e164aa56047)
∂U∂X(X,t)=-L∂I∂t(X,t)-RI(X,t){\ Displaystyle {\ frac {\ U parcial} {\ parcial x}} (x, t) = - L {\ frac {\ parcial I} {\ parcial t}} (x, t) -RI (x, t )}
∂I∂X(X,t)=-VS∂U∂t(X,t)-GRAMOU(X,t){\ Displaystyle {\ frac {\ I parcial} {\ X parcial}} (x, t) = - C {\ frac {\ U parcial} {\ Parcial t}} (x, t) -GU (x, t )}
A partir de la formulación anterior, podemos dibujar 2 ecuaciones diferenciales parciales, cada una con una sola variable:
∂2U∂X2(X,t)=LVS∂2U∂t2(X,t)+(RVS+GRAMOL)∂U∂t(X,t)+GRAMORU(X,t){\ Displaystyle {\ frac {\ parcial ^ {2} U} {\ parcial x ^ {2}}} (x, t) = LC {\ frac {\ parcial ^ {2} U} {\ parcial t ^ { 2}}} (x, t) + (RC + GL) {\ frac {\ parcial U} {\ parcial t}} (x, t) + GRU (x, t)}
∂2I∂X2(X,t)=LVS∂2I∂t2(X,t)+(RVS+GRAMOL)∂I∂t(X,t)+GRAMORI(X,t){\ estilo de visualización {\ frac {\ parcial ^ {2} I} {\ parcial x ^ {2}}} (x, t) = LC {\ frac {\ parcial ^ {2} I} {\ parcial t ^ { 2}}} (x, t) + (RC + GL) {\ frac {\ I parcial} {\ t parcial}} (x, t) + GRI (x, t)}
Modelo pi
Impedancia y admitancia
Considerando las pérdidas, la impedancia Zl y la admitancia Yq se calculan de la siguiente manera:
Zl=Γ⋅pecado(γ⋅l){\ Displaystyle Z_ {l} = \ Gamma \ cdot \ sinh (\ gamma \ cdot l)}
Yq2=1Γtanh(γ⋅l2){\ Displaystyle {\ frac {Y_ {q}} {2}} = {\ frac {1} {\ Gamma}} \ tanh \ left (\ gamma \ cdot {\ frac {l} {2}} \ right) }
Con la constante de propagación, con Z 'la impedancia lineal de la línea e Y' la admitancia lineal de la línea. Y la impedancia de la línea. l es la longitud de la línea.
γ=α+jB=Z′⋅Y′{\ Displaystyle \ gamma = \ alpha + j \ mathrm {B} = {\ sqrt {Z '\ cdot Y'}}}
Γ=Z′Y′{\ Displaystyle \ Gamma = {\ sqrt {\ frac {Z '} {Y'}}}}![{\ Displaystyle \ Gamma = {\ sqrt {\ frac {Z '} {Y'}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/fc7689d42df77564a9c2242118b10a348b62bf4a)
Para una línea sin pérdidas:
Zl=Γ⋅j⋅pecado(B⋅l){\ Displaystyle Z_ {l} = \ Gamma \ cdot j \ cdot \ sin (\ mathrm {B} \ cdot l)}
Yq2=1Γj⋅broncearse(B⋅l2){\ Displaystyle {\ frac {Y_ {q}} {2}} = {\ frac {1} {\ Gamma}} j \ cdot \ tan \ left (\ mathrm {B} \ cdot {\ frac {l} { 2}} \ derecha)}
Para una línea aérea corta, de menos de 80 km , podemos despreciar las capacitancias y simplificar la impedancia:
Zl=Z′⋅l{\ Displaystyle Z_ {l} = Z '\ cdot l}
Yq2=0{\ Displaystyle {\ frac {Y_ {q}} {2}} = 0}![{\ Displaystyle {\ frac {Y_ {q}} {2}} = 0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ef821e580c3b964e33bb8d49c23750a1b9595031)
o
Yq2=Y′⋅l2{\ Displaystyle {\ frac {Y_ {q}} {2}} = {\ frac {Y '\ cdot l} {2}}}
Número de Pi a usar
Una sección en Pi consta solo de elementos concentrados. Con solo una sección, el modelo Pi solo es válido a baja frecuencia para longitudes de línea cortas. Cuando aumenta la longitud o la frecuencia, se debe aumentar el número de secciones en Pi a conectar en serie para tener un modelado correcto.
Una línea puede considerarse "corta", es decir modelable con un solo tramo en Pi, hasta 200 km para una línea aérea a 50 Hz y 100 km para un cable. El número de secciones en Pi debe aumentar proporcionalmente con la frecuencia e inversamente proporcional a la longitud de la línea.
Cálculo de parámetros eléctricos para una línea aérea.
Conductor equivalente
Las líneas eléctricas , especialmente las de más de 220 kV , no poseen un solo conductor por fase, sino que contienen en haces de conductores 2-4 (ver imagen al lado). Es posible modelar un haz de conductores mediante un conductor equivalente de radio:
requivalente=no⋅rVS⋅rTno-1no{\ Displaystyle r _ {\ text {equivalente}} = {\ sqrt [{n}] {n \ cdot r_ {C} \ cdot r_ {T} ^ {n-1}}}}![{\ Displaystyle r _ {\ text {equivalente}} = {\ sqrt [{n}] {n \ cdot r_ {C} \ cdot r_ {T} ^ {n-1}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e022447de234d793928be554d1f614ef7fbd0394)
Donde r equivalente es el radio equivalente del haz, r C el radio de los conductores, r T el radio del círculo formado por el haz, n el número de conductores por haz (ver imagen).
Distancia equivalente entre haces / conductores
Para un sistema trifásico, es posible definir una distancia equivalente entre los conductores, o haces de conductores según sea el caso, calculando la media geométrica . En el caso de un sistema trifásico simple, vale la pena:
D=D12⋅D23⋅D313{\ Displaystyle D = {\ sqrt [{3}] {D_ {12} \ cdot D_ {23} \ cdot D_ {31}}}}![{\ Displaystyle D = {\ sqrt [{3}] {D_ {12} \ cdot D_ {23} \ cdot D_ {31}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3cf36399aa1c3238ed1308e920d7251c2f9c9fba)
Para el caso de un sistema doble (dos líneas trifásicas a cada lado del pilón):
D=D12⋅D23⋅D31⋅D12′⋅D23′⋅D31′D11′⋅D22′⋅D33′3{\ Displaystyle D = {\ sqrt [{3}] {D_ {12} \ cdot D_ {23} \ cdot D_ {31} \ cdot {\ frac {D_ {12 '} \ cdot D_ {23'} \ cdot D_ {31 '}} {D_ {11'} \ cdot D_ {22 '} \ cdot D_ {33'}}}}}}![{\ Displaystyle D = {\ sqrt [{3}] {D_ {12} \ cdot D_ {23} \ cdot D_ {31} \ cdot {\ frac {D_ {12 '} \ cdot D_ {23'} \ cdot D_ {31 '}} {D_ {11'} \ cdot D_ {22 '} \ cdot D_ {33'}}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/eac9f8fe72f54e759db6221360ccb52971afce9e)
Resistencia de línea
La resistencia lineal de un conductor a 20 ° C es:
R20=ρS{\ Displaystyle R_ {20} = {\ frac {\ rho} {S}}}![{\ Displaystyle R_ {20} = {\ frac {\ rho} {S}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8d106265953364957a56962ae5c70b771303519f)
Con la sección y la resistividad del material conductor. Para un conductor de cobre, la resistividad es del orden de 1.8 x 10 -8 Ω ∙ m para aluminio de 3 x 10 -8 Ω ∙ m.
S{\ Displaystyle S}
ρ{\ Displaystyle \ rho}![\ rho](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1f7d439671d1289b6a816e6af7a304be40608d64)
La resistencia de la línea también depende de la temperatura:
R=R20⋅(1+αΔT){\ Displaystyle R = R_ {20} \ cdot (1+ \ alpha \ Delta T)}![{\ Displaystyle R = R_ {20} \ cdot (1+ \ alpha \ Delta T)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/008ecf286afdb2c03c18e67015f5f89cf153f7e2)
Cuál es el coeficiente de temperatura y la diferencia en grados Kelvin entre la temperatura y 20 ° C .
α{\ Displaystyle \ alpha}
ΔT{\ Displaystyle \ Delta T}
En el caso de un haz de conductores, este último en paralelo, la resistencia debe dividirse por el número de conductores.
Inductancia
La inductancia lineal de una línea es igual a:
Llínea′=μ02π(en(Dr)+μr4no){\ Displaystyle L _ {\ text {line}} '= {\ frac {\ mu _ {0}} {2 \ pi}} \ left (\ ln \ left ({\ frac {D} {r}} \ derecha) + {\ frac {\ mu _ {r}} {4n}} \ right)}![{\ Displaystyle L _ {\ text {line}} '= {\ frac {\ mu _ {0}} {2 \ pi}} \ left (\ ln \ left ({\ frac {D} {r}} \ derecha) + {\ frac {\ mu _ {r}} {4n}} \ right)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/de5f9374fc1a08f3d25df85e563e36673ab90663)
Con n el número de conductores por haz y la permitividad del conductor. En el caso de que sea igual a 1, podemos definir un radio equivalente :
μr{\ Displaystyle \ mu _ {r}}
μr{\ Displaystyle \ mu _ {r}}
rGRAMOMETROR=r⋅mi-1/4no{\ Displaystyle r_ {GMR} = r \ cdot e ^ {- 1 / 4n}}![{\ Displaystyle r_ {GMR} = r \ cdot e ^ {- 1 / 4n}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/83c9315fc9236411324768714987b0b50c93ce65)
Llínea′=μ02πen(DrGRAMOMETROR){\ Displaystyle L _ {\ text {line}} '= {\ frac {\ mu _ {0}} {2 \ pi}} \ ln \ left ({\ frac {D} {r_ {GMR}}} \ derecha)}![{\ Displaystyle L _ {\ text {line}} '= {\ frac {\ mu _ {0}} {2 \ pi}} \ ln \ left ({\ frac {D} {r_ {GMR}}} \ derecha)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/64a7d8344d656f45ef73dd77ac212d98da963147)
Demostración
Dos conductores
Considere un sistema que consta de una línea de avance y una línea de retorno de una longitud l, consideradas como muy grandes en comparación con las otras distancias, y espaciadas por una distancia d. Al tomar un contorno circular alrededor de un conductor de longitud y aplicarle el teorema de Ampère, tenemos:
2πX{\ Displaystyle 2 \ pi x}![{\ Displaystyle 2 \ pi x}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ffeb3c45338787069436b6d771b7aa7f3865635c)
∮HDl=Icruce{\ Displaystyle \ unint Hdl = I _ {\ text {traversant}}}
H2πX=Icruce{\ Displaystyle H2 \ pi x = I _ {\ text {traversant}}}
Para (radio del conductor) obtenemos:
Para obtenemos:X<r{\ Displaystyle x <r}
H=I⋅X22πXr2{\ Displaystyle H = {\ frac {I \ cdot x ^ {2}} {2 \ pi xr ^ {2}}}}
X⩾r{\ Displaystyle x \ geqslant r}
H=I2πX{\ Displaystyle H = {\ frac {I} {2 \ pi x}}}
La energía contenida en el conductor W es igual a:
WI=12∭B∧H⋅DV{\ Displaystyle W_ {i} = {\ frac {1} {2}} \ iiint {B \ wedge H \ cdot dV}}
WI=12∭μIH2DV{\ Displaystyle W_ {i} = {\ frac {1} {2}} \ iiint \ mu _ {i} H ^ {2} dV}
¿Dónde está la permeabilidad magnética del conductor?
μI{\ Displaystyle \ mu _ {i}}![\ mu _ {i}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/dea0a0293841cce9eef98b55e53a92b82ae59ee4)
WI=12∫0rμI(I1X2πr2)2l2πXDX{\ Displaystyle W_ {i} = {\ frac {1} {2}} \ int _ {0} ^ {r} \ mu _ {i} \ left ({\ frac {I_ {1} x} {2 \ pi r ^ {2}}} \ right) ^ {2} l2 \ pi xdx}![{\ Displaystyle W_ {i} = {\ frac {1} {2}} \ int _ {0} ^ {r} \ mu _ {i} \ left ({\ frac {I_ {1} x} {2 \ pi r ^ {2}}} \ right) ^ {2} l2 \ pi xdx}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4d8741df862eaeb8d9fda45250b166e34f89a73f)
[...]
WI=I12μIldieciséisπ{\ Displaystyle W_ {i} = I_ {1} ^ {2} {\ frac {\ mu _ {i} l} {16 \ pi}}}![{\ Displaystyle W_ {i} = I_ {1} ^ {2} {\ frac {\ mu _ {i} l} {16 \ pi}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3359055380bc30d08d92a90d9448beb53c7f0bda)
Oro
WI=12LII2{\ Displaystyle W_ {i} = {\ frac {1} {2}} L_ {i} I ^ {2}}![{\ Displaystyle W_ {i} = {\ frac {1} {2}} L_ {i} I ^ {2}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3f88ffdab029194c5bdac5c02bd3fe4f8a86d5bb)
con L i la inductancia interna del conductor.
Entonces
LI=μIl8π{\ Displaystyle L_ {i} = {\ frac {\ mu _ {i} l} {8 \ pi}}}![{\ Displaystyle L_ {i} = {\ frac {\ mu _ {i} l} {8 \ pi}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/dc131276985d56bb4baebef66459052f0ba11c25)
En línea
LI′=μI8π{\ Displaystyle L_ {i} '= {\ frac {\ mu _ {i}} {8 \ pi}}}![{\ Displaystyle L_ {i} '= {\ frac {\ mu _ {i}} {8 \ pi}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c3b2455c1099a393c1e619b12929717ace0b2593)
Ahora que se conoce la inductancia interna, queda por determinar la inductancia externa. Tenemos en cuenta el campo creado por un solo conductor entre él y el otro conductor (donde se cancela el campo):
Φ=∬B⋅DS=∬μaH⋅DS=∫rDμaI2πXlDX{\ Displaystyle \ Phi = \ iint B \ cdot dS = \ iint \ mu _ {a} H \ cdot dS = \ int _ {r} ^ {d} \ mu _ {a} {\ frac {I} {2 \ pi x}} ldx}
Φ=μaI2πlen(Dr){\ Displaystyle \ Phi = \ mu _ {a} {\ frac {I} {2 \ pi}} l \ ln \ left ({\ frac {d} {r}} \ right)}
Oro
La=ΦI=μa12πlen(Dr){\ Displaystyle L_ {a} = {\ frac {\ Phi} {I}} = \ mu _ {a} {\ frac {1} {2 \ pi}} l \ ln \ left ({\ frac {d} {r}} \ derecha)}![{\ Displaystyle L_ {a} = {\ frac {\ Phi} {I}} = \ mu _ {a} {\ frac {1} {2 \ pi}} l \ ln \ left ({\ frac {d} {r}} \ derecha)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/09f8004fd8679f47964228cf50b256c4fa5b4827)
Con el flujo magnético . En línea:
Φ{\ Displaystyle \ Phi}![\ Phi](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/aed80a2011a3912b028ba32a52dfa57165455f24)
La′=μa12πen(Dr){\ Displaystyle L_ {a} '= \ mu _ {a} {\ frac {1} {2 \ pi}} \ ln \ left ({\ frac {d} {r}} \ right)}![{\ Displaystyle L_ {a} '= \ mu _ {a} {\ frac {1} {2 \ pi}} \ ln \ left ({\ frac {d} {r}} \ right)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/26acee836b9f7e847fa2d9a86981c07312cf219d)
Siendo la inductancia externa total la causada por el conductor de salida y el conductor de retorno, y sumando también la inductancia interna, tenemos:
Ltotal′=2La′+2LI{\ Displaystyle L _ {\ text {total}} '= 2L_ {a}' + 2L_ {i}}![{\ Displaystyle L _ {\ text {total}} '= 2L_ {a}' + 2L_ {i}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ac7a85e23746190d1f01cb07a1489c3733597c9f)
Considerando la misma permeabilidad magnética , la ecuación se convierte en:
μr{\ Displaystyle \ mu _ {r}}![\Pared}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/70e2dc5a760017c379bd66f0043d213db98bf77b)
Ltotal′=μ0π(μr4+en(Dr)){\ Displaystyle L _ {\ text {total}} '= {\ frac {\ mu _ {0}} {\ pi}} \ left ({\ frac {\ mu _ {r}} {4}} + \ ln \ left ({\ frac {d} {r}} \ right) \ right)}![{\ Displaystyle L _ {\ text {total}} '= {\ frac {\ mu _ {0}} {\ pi}} \ left ({\ frac {\ mu _ {r}} {4}} + \ ln \ left ({\ frac {d} {r}} \ right) \ right)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/170917cea3a01bb4923f4f826fb9b8d0e699ae56)
Sistema trifásico
Para un sistema trifásico, consideramos un conductor de retorno ficticio ubicado entre las 3 fases. Las ecuaciones anteriores siguen siendo aplicables, también es necesario calcular las inductancias mutuas entre fases. Atención, los conductores son simples aquí, para obtener detalles con los mazos de conductores, consulte la nota.
METRO31=Φ1I3=1I3∬B1DS{\ Displaystyle M_ {31} = {\ frac {\ Phi _ {1}} {I_ {3}}} = {\ frac {1} {I_ {3}}} \ iint B_ {1} dS}![{\ Displaystyle M_ {31} = {\ frac {\ Phi _ {1}} {I_ {3}}} = {\ frac {1} {I_ {3}}} \ iint B_ {1} dS}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5df97314731bfb87248f6059fb31ec971eecc642)
Con B 1 el campo aplicado al conductor 1 por la corriente que fluye a través del conductor 3.
METRO31=μ0l2πI3[I3(μr4+∫rD1XDX)-I3∫DD1XDX]{\ Displaystyle M_ {31} = {\ frac {\ mu _ {0} l} {2 \ pi I_ {3}}} \ left [I_ {3} \ left ({\ frac {\ mu _ {r} } {4}} + \ int _ {r} ^ {d} {\ frac {1} {x}} dx \ right) -I_ {3} \ int _ {d} ^ {D} {\ frac {1 } {x}} dx \ right]}![{\ Displaystyle M_ {31} = {\ frac {\ mu _ {0} l} {2 \ pi I_ {3}}} \ left [I_ {3} \ left ({\ frac {\ mu _ {r} } {4}} + \ int _ {r} ^ {d} {\ frac {1} {x}} dx \ right) -I_ {3} \ int _ {d} ^ {D} {\ frac {1 } {x}} dx \ right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f34868c6d9722983cb8ce2b39bd9c7035f3c20f5)
Desde d, el conductor de retorno influye en el campo. Por tanto obtenemos:
METRO31=μ0l2π(μr4+en(Dr)+en(DD)){\ Displaystyle M_ {31} = {\ frac {\ mu _ {0} l} {2 \ pi}} \ left ({\ frac {\ mu _ {r}} {4}} + \ ln \ left ( {\ frac {d} {r}} \ derecha) + \ ln \ izquierda ({\ frac {D} {d}} \ derecha) \ derecha)}
METRO31=μ0l2π(μr4+en(D2r⋅D)){\ Displaystyle M_ {31} = {\ frac {\ mu _ {0} l} {2 \ pi}} \ left ({\ frac {\ mu _ {r}} {4}} + \ ln \ left ( {\ frac {d ^ {2}} {r \ cdot D}} \ right) \ right)}
El sistema es simétrico M 12 = M 23 = M 31 = M.
La inductancia de una línea, L línea está, por tanto, gobernado por la ecuación siguiente:
LlíneaI1=LtotalI1+METROI2+METROI3{\ Displaystyle L _ {\ text {línea}} I_ {1} = L _ {\ text {total}} I_ {1} + MI_ {2} + MI_ {3}}![{\ Displaystyle L _ {\ text {línea}} I_ {1} = L _ {\ text {total}} I_ {1} + MI_ {2} + MI_ {3}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1311ee9fd9b2b098d08687fde928305682dccb9a)
El sistema es trifásico . De donde :
I1+I2+I3=0{\ Displaystyle I_ {1} + I_ {2} + I_ {3} = 0}![{\ Displaystyle I_ {1} + I_ {2} + I_ {3} = 0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5f73a928f7af5c1c702b3fc015b9d734c5958b00)
LlíneaI1=LtotalI1-METROI1{\ Displaystyle L _ {\ text {línea}} I_ {1} = L _ {\ text {total}} I_ {1} -MI_ {1}}![{\ Displaystyle L _ {\ text {línea}} I_ {1} = L _ {\ text {total}} I_ {1} -MI_ {1}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2f36e0b290cb56932a754f1777544ad8d616bb8c)
Simplificando (en lineal):
Llínea′=Ltotal′-METRO=μ02π[2(μr4+en(Dr))-(μr4+en(D2r⋅D))]{\ displaystyle L _ {\ text {line}} '= L _ {\ text {total}}' - M = {\ frac {\ mu _ {0}} {2 \ pi}} \ left [2 \ left ({\ frac {\ mu _ {r}} {4}} + \ ln \ left ({\ frac {d} {r}} \ right) \ right) - \ left ({\ frac {\ mu _ { r}} {4}} + \ ln \ left ({\ frac {d ^ {2}} {r \ cdot D}} \ right) \ right) \ right]}
Llínea′=μ02π(en(Dr)+μr4){\ displaystyle L _ {\ text {line}} '= {\ frac {\ mu _ {0}} {2 \ pi}} \ left (\ ln \ left ({\ frac {D} {r}} \ derecha) + {\ frac {\ mu _ {r}} {4}} \ derecha)}![{\ displaystyle L _ {\ text {line}} '= {\ frac {\ mu _ {0}} {2 \ pi}} \ left (\ ln \ left ({\ frac {D} {r}} \ derecha) + {\ frac {\ mu _ {r}} {4}} \ derecha)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/52406b80457b78cde6d69d403a33f350196e60d9)
El profesor Thierry Van Cutsem ofrece una demostración ligeramente diferente, ver nota.
Valores típicos de impedancia
A continuación se muestran algunos valores típicos para una red de 50 Hz con conductores de aluminio / acero de sección de aluminio de 240 mm 2 y acero de 40 mm 2 .
Voltaje de línea (kV) |
Número de conductores por paquete |
Impedancia (Ω / km)
|
---|
110 |
1 |
0,12 + d0,4
|
220 |
2 |
0,06 + j0,3
|
380 |
4 |
0.03 + d0.25
|
Otros valores solo para resistencia:
Voltaje de línea (kV) |
Número de conductores por paquete |
Resistencia (Ω / km)
|
---|
70 |
1 |
0.09-0.35
|
110 |
1 |
0,12
|
220 |
2 |
0.04-0.09
|
380 |
4 |
0,03
|
Y la inductancia:
Voltaje de línea (kV) |
Número de conductores por paquete |
Inductancia (Ω / km)
|
---|
70 |
1 |
0,2 - 0,4
|
110 |
1 |
0.4
|
220 |
2 |
0,3
|
380 |
4 |
0,25
|
Capacidad
En un sistema trifásico, existen capacidades entre líneas y tierra, pero también entre líneas. El objetivo es sintetizar todo en una única capacidad "media" C b igual para las tres líneas:
VSB′=2πϵ0ϵren(Dr){\ displaystyle C_ {b} '= {\ frac {2 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}} {\ ln \ left ({\ dfrac {D} {r}} \ right)}} }![{\ displaystyle C_ {b} '= {\ frac {2 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}} {\ ln \ left ({\ dfrac {D} {r}} \ right)}} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e3dec629cc0bcc44e81d7e5f3c9635831f54c395)
En el que y son la permitividad dieléctrica del vacío y del material (en el caso del aire para las líneas es aproximadamente 1).
ϵ0{\ Displaystyle \ epsilon _ {0}}
ϵr{\ Displaystyle \ epsilon _ {r}}
ϵr{\ Displaystyle \ epsilon _ {r}}![{\ Displaystyle \ epsilon _ {r}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7ff36e034ac43c6b67b68ed1b87ca7a5b4e42f9b)
Podemos demostrar usando el teorema de Kennelly que:
VSB′=3⋅VSL+VST{\ Displaystyle C_ {b} '= 3 \ cdot C_ {L} + C_ {T}}![{\ Displaystyle C_ {b} '= 3 \ cdot C_ {L} + C_ {T}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c1fd86fcbf8045b8601dc5fb34d3432a3f0f0f95)
Con C L la capacitancia mutua y C T la capacitancia de tierra
Demostración
Para modelar el potencial cero de la tierra, usamos el principio del espejo. Es decir, modelamos conductores ficticios colocados simétricamente a tierra con respecto a los conductores reales y cargados de forma opuesta. Entonces, la tierra tiene potencial cero.
Considere el caso que se muestra en el lado opuesto de un solo conductor. El potencial de un punto arbitrario Pi, distante de un ij del conductor real y de un ij * del conductor ficticio es según el teorema de Gauss :
VPAG=VPAG,causado por un conductor real+VPAG,causado por un conductor ficticio{\ displaystyle V_ {P} = V_ {P, {\ text {causado por un controlador real}}} + V_ {P, {\ text {causado por un controlador ficticio}}}}
VPAG=Qj′2πϵ0ϵren(1aIj)-Qj′2πϵ0ϵren(1aIj∗){\ Displaystyle V_ {P} = {\ frac {Q_ {j} '} {2 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}}} \ ln \ left ({\ frac {1} {a_ { ij}}} \ right) - {\ frac {Q_ {j} '} {2 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}}} \ ln \ left ({\ frac {1} {a_ { ij *}}} \ right)}
VPAG=Qj′2πϵ0ϵren(aIj∗aIj){\ Displaystyle V_ {P} = {\ frac {Q_ {j} '} {2 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}}} \ ln \ left ({\ frac {a_ {ij} * } {a_ {ij}}} \ right)}
El mismo principio se utiliza para un sistema trifásico. Para cada punto P tenemos la ecuación:
VPAG=12πϵ0ϵr(Q1′en(a1j∗a1j)+Q1′en(a2j∗a2j)+Q1′en(a3j∗a3j)){\ displaystyle V_ {P} = {\ frac {1} {2 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}}} \ left (Q_ {1} '\ ln \ left ({\ frac {a_ {1j} *} {a_ {1j}}} \ right) + Q_ {1} '\ ln \ left ({\ frac {a_ {2j} *} {a_ {2j}}} \ right) + Q_ {1 } '\ ln \ left ({\ frac {a_ {3j} *} {a_ {3j}}} \ right) \ right)}![{\ displaystyle V_ {P} = {\ frac {1} {2 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}}} \ left (Q_ {1} '\ ln \ left ({\ frac {a_ {1j} *} {a_ {1j}}} \ right) + Q_ {1} '\ ln \ left ({\ frac {a_ {2j} *} {a_ {2j}}} \ right) + Q_ {1 } '\ ln \ left ({\ frac {a_ {3j} *} {a_ {3j}}} \ right) \ right)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d0a3a4a95638341325e17dd7687a2c74a9a8e7bb)
Colocando los puntos i P en los conductores 1, 2 y 3, los potenciales son entonces iguales a U 1 , U 2 y U 3 .
Podemos presentar el problema anterior en forma de matriz: U = M * Q. Con U el vector de las tensiones de los 3 conductores, Q las 3 cargas y M una matriz formada por i y j que van de 1 a 3.
12πϵ0en(a1j∗a1j){\ Displaystyle {\ frac {1} {2 \ pi \ epsilon _ {0}}} \ ln \ left ({\ frac {a_ {1j} *} {a_ {1j}}} \ right)}![{\ Displaystyle {\ frac {1} {2 \ pi \ epsilon _ {0}}} \ ln \ left ({\ frac {a_ {1j} *} {a_ {1j}}} \ right)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/847c7392dfe56d4e9c9b95795afbd77e5901a56b)
El sistema se considera simétrico (ver conmutación de fase ):
VS12=VS23=VS13{\ Displaystyle C_ {12} = C_ {23} = C_ {13}}![{\ Displaystyle C_ {12} = C_ {23} = C_ {13}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/182e3008f04e1bd1c88a337e388f6b639ce2f7a9)
Y
VS1T=VS2T=VS3T{\ Displaystyle C_ {1T} = C_ {2T} = C_ {3T}}![{\ Displaystyle C_ {1T} = C_ {2T} = C_ {3T}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d28447eab721d8c88cb1d625ff2ee3446218329b)
Se calcula una distancia equivalente igual a la media geométrica entre vigas con el método presentado anteriormente para el sistema real, indicado D, y el sistema ficticio, indicado D *. También se define una altura media geométrica:
h=h1h2h33{\ Displaystyle h = {\ sqrt [{3}] {h_ {1} h_ {2} h_ {3}}}}![{\ Displaystyle h = {\ sqrt [{3}] {h_ {1} h_ {2} h_ {3}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/826b115bfca04a02f47a9a21b865ee4d83d8a93f)
Además, todos los conductores tienen el mismo radio r. Por tanto, los términos diagonales son válidos
y todos los demás términos .
12πϵ0en(a1j∗a1j){\ Displaystyle {\ frac {1} {2 \ pi \ epsilon _ {0}}} \ ln \ left ({\ frac {a_ {1j} *} {a_ {1j}}} \ right)}
12πϵ0en(2hr)=pagA{\ Displaystyle {\ frac {1} {2 \ pi \ epsilon _ {0}}} \ ln \ left ({\ frac {2h} {r}} \ right) = p_ {A}}
12πϵ0en(D∗D)=pagB{\ Displaystyle {\ frac {1} {2 \ pi \ epsilon _ {0}}} \ ln \ left ({\ frac {D *} {D}} \ right) = p_ {B}}![{\ Displaystyle {\ frac {1} {2 \ pi \ epsilon _ {0}}} \ ln \ left ({\ frac {D *} {D}} \ right) = p_ {B}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/dd34b342cf387c574282956acb0ecfa12ce5d122)
Resolviendo el sistema matricial, obtenemos: con i = 1..3.
QI=1pagA-pagB⋅UI{\ Displaystyle Q_ {i} = {\ frac {1} {p_ {A} -p_ {B}}} \ cdot U_ {i}}![{\ Displaystyle Q_ {i} = {\ frac {1} {p_ {A} -p_ {B}}} \ cdot U_ {i}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3149d0dede8ab94d0f32ae9cd6fe14bdc2ff7701)
1pagA-pagB=2πϵ0ϵren(2hr)-en(D∗D){\ Displaystyle {\ frac {1} {p_ {A} -p_ {B}}} = {\ frac {2 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}} {\ ln ({\ frac { 2h} {r}}) - \ ln ({\ frac {D *} {D}})}}}
1pagA-pagB=2πϵ0ϵren(2hDrD∗){\ Displaystyle {\ frac {1} {p_ {A} -p_ {B}}} = {\ frac {2 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}} {\ ln ({\ frac { 2hD} {rD *}})}}}
Aproximando D * por , obtenemos:
(2h)2+D2{\ Displaystyle {\ sqrt {(2h) ^ {2} + D ^ {2}}}}![{\ Displaystyle {\ sqrt {(2h) ^ {2} + D ^ {2}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4cf1b39669c626c47389b35691934a9b0411dea9)
1pagA-pagB=2πϵ0ϵren(Dr1+(D2h)2){\ Displaystyle {\ frac {1} {p_ {A} -p_ {B}}} = {\ frac {2 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}} {\ ln \ left ({\ frac {D} {r {\ sqrt {1 + ({\ frac {D} {2h}}) ^ {2}}}}} \ right)}}}![{\ Displaystyle {\ frac {1} {p_ {A} -p_ {B}}} = {\ frac {2 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}} {\ ln \ left ({\ frac {D} {r {\ sqrt {1 + ({\ frac {D} {2h}}) ^ {2}}}}} \ right)}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6dc216311074d3695f4c744b3e15e2504db4061e)
D<<2h{\ Displaystyle D << 2h}
de donde :
1pagA-pagB=2πϵ0ϵren(Dr){\ Displaystyle {\ frac {1} {p_ {A} -p_ {B}}} = {\ frac {2 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}} {\ ln ({\ frac { Dr}})}}}![{\ Displaystyle {\ frac {1} {p_ {A} -p_ {B}}} = {\ frac {2 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}} {\ ln ({\ frac { Dr}})}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4b0f332a7d519d3a8544c5cb318b9b3c9fc8d034)
Por definición :
VSB′=Q1′U1=1pagA-pagB=2πϵ0ϵren(Dr){\ Displaystyle C_ {b} '= {\ frac {Q_ {1}'} {U_ {1}}} = {\ frac {1} {p_ {A} -p_ {B}}} = {\ frac { 2 \ pi \ epsilon _ {0} \ epsilon _ {r}} {\ ln ({\ frac {D} {r}})}}}
Conductancia
Una resistencia debe estar representada en paralelo a las capacidades para ser completa. Se debe al efecto corona y a las fugas de corriente (provocadas por la contaminación de los aisladores, por ejemplo). Para una línea de 380 kV vale:
Tiempo seco |
Clima húmedo
|
---|
3 nS / km |
30 nS / km
|
Valores típicos de admitancia
A continuación se muestran algunos valores típicos para una red de 50 Hz .
Voltaje de línea (kV) |
Número de conductores por paquete |
Admisión (uS / km)
|
---|
110 |
1 |
3
|
220 |
2 |
3.9
|
380 |
4 |
4.3
|
Cálculo de los parámetros eléctricos de un cable.
Entrada
Para los cables, los cálculos de resistencia e inductividad son idénticos. La capacidad es:
VST=VSB′=2πϵen(r2r1){\ Displaystyle C_ {T} = C_ {b} '= {\ frac {2 \ pi \ epsilon} {\ ln ({\ frac {r_ {2}} {r_ {1}}})}}}![{\ Displaystyle C_ {T} = C_ {b} '= {\ frac {2 \ pi \ epsilon} {\ ln ({\ frac {r_ {2}} {r_ {1}}})}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/135a8105f3211a56d66ea27c061eb7357309023a)
Con r 1 el radio del núcleo y r 2 el radio interior de la pantalla. La capacitancia entre las líneas es insignificante.
La conductancia es igual a:
GRAMOB′=broncearse(δ)⋅ωVSB′{\ Displaystyle G_ {b} '= \ tan (\ delta) \ cdot \ omega C_ {b}'}![{\ Displaystyle G_ {b} '= \ tan (\ delta) \ cdot \ omega C_ {b}'}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e567e3fa038e0de38d35b18f8ebce3b3ebc122c6)
Algunos valores típicos:
Voltaje de línea (kV) |
Resistencia (Ω / km) |
Reactancia (Ω / km) |
Admisión ((uS / km)
|
---|
36 |
0.06-0.16 |
0,10 - 0,17 |
40 -120
|
150 |
0.03-0.12 |
0,12 - 0,22 |
30 - 70
|
Tipo de aislamiento de cable |
tano(δ){\ Displaystyle bronceado (\ delta)}![bronceado (\ delta)](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/43571fc9c7be307459218f452cfd51284722a550) |
ϵr{\ Displaystyle \ epsilon _ {r}}
|
---|
Papel impregnado |
2-3 10 −3 |
3.3-3.5
|
CLORURO DE POLIVINILO |
|
3,5 - 8,0
|
Etileno propileno |
|
2,8 - 3,5
|
Polietileno |
0,2 - 0,5 10 −3 |
2.2-2.3
|
Polietileno reticulado |
|
2,3 - 6
|
La norma IEC 60287-1-1 proporciona muchas fórmulas para calcular los parámetros eléctricos de los cables.
Transposición de línea
La capacitancia de línea a tierra depende de la altura a la que se encuentra el conductor o el haz de conductores. En los ejemplos anteriores, uno de estos conductores es más alto que los otros dos. Si no se hace nada, la capacitancia de esta fase frente a tierra sería diferente a la de las otras dos fases, lo que no es deseable para un sistema trifásico simétrico.
Para solucionar el problema, las fases se alternan entre ellas a intervalos regulares por medio de un pilón de transposición. Para líneas de menos de 200 km de longitud , son suficientes dos transposiciones, que permiten que cada línea tenga el mismo comportamiento capacitivo en promedio. Las corrientes inducidas por las tres fases se compensan entre sí.
Ver también
Referencias
-
Kindersberger , 2009 , p. 232
-
(en) " Modelización de Líneas de Transmisión " (visitada 14 de enero 2013 )
-
Kindersberger , 2009 , p. 234
-
Kindersberger , 2009 , p. 196
-
Kindersberger 2009 , p. 197
-
Kindersberger 2009 , p. 199
-
Thierry Van Cutsem , Análisis y operación de sistemas de energía eléctrica , Universidad de Lieja,2012( leer en línea )
-
Kindersberger 2009 , p. 200
-
Kindersberger , 2009 , p. 204
-
Otros valores de impedancia en < (en) Grupo de trabajo de análisis de transitorios del sistema , Directrices de modelado para transitorios de conmutación , IEEE,2009( leer en línea )
-
Kindersberger , 2009 , p. 208
-
Kindersberger , 2009 , p. 213
-
Kindersberger , 2009 , p. 212
-
Kindersberger 2009 , p. 223
-
(in) Houssem Rafik y El Hana Bouchekara , Transmisión y distribución de energía eléctrica ,2010( leer en línea )
-
Kindersberger 2009 , p. 213
Traducción
-
distancia media geométrica , GMD en inglés
-
radio medio geométrico , GMR en inglés
Bibliografía
- (de) Joseph Kindersberger , Grundlagen der Hochspannungs- und Energieübertragungstechnik , TU Munich,2009
Estándares
- IEC 60287-1-1 Cables eléctricos - Cálculo de la corriente admisible - Parte 1-1: Ecuaciones de la intensidad de corriente admisible (factor de carga del 100%) y cálculo de pérdidas - General , 2006
-
Folleto CIGRÉ 531 Características eléctricas de los sistemas de cables , 2013
Enlace externo