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

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:

A partir de la formulación anterior, podemos dibujar 2 ecuaciones diferenciales parciales, cada una con una sola variable:

Modelo pi

Impedancia y admitancia

Considerando las pérdidas, la impedancia Zl y la admitancia Yq se calculan de la siguiente manera:

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.

Para una línea sin pérdidas:

Para una línea aérea corta, de menos de 80  km , podemos despreciar las capacitancias y simplificar la impedancia:

o

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:

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:

Para el caso de un sistema doble (dos líneas trifásicas a cada lado del pilón):

Resistencia de línea

La resistencia lineal de un conductor a 20  ° C es:

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.

La resistencia de la línea también depende de la temperatura:

Cuál es el coeficiente de temperatura y la diferencia en grados Kelvin entre la temperatura y 20 ° C .  

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:

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 :

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:

Para (radio del conductor) obtenemos: Para obtenemos:

La energía contenida en el conductor W es igual a:

¿Dónde está la permeabilidad magnética del conductor?

[...]

Oro

con L i la inductancia interna del conductor.

Entonces

En línea

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):

Oro

Con el flujo magnético . En línea:

Siendo la inductancia externa total la causada por el conductor de salida y el conductor de retorno, y sumando también la inductancia interna, tenemos:

Considerando la misma permeabilidad magnética , la ecuación se convierte en:

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.

Con B 1 el campo aplicado al conductor 1 por la corriente que fluye a través del conductor 3.

Desde d, el conductor de retorno influye en el campo. Por tanto obtenemos:

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:

El sistema es trifásico . De donde :

Simplificando (en lineal):

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:

En el que y son la permitividad dieléctrica del vacío y del material (en el caso del aire para las líneas es aproximadamente 1).

Podemos demostrar usando el teorema de Kennelly que:

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  :

El mismo principio se utiliza para un sistema trifásico. Para cada punto P tenemos la ecuación:

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.

El sistema se considera simétrico (ver conmutación de fase ):

Y

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:

Además, todos los conductores tienen el mismo radio r. Por tanto, los términos diagonales son válidos y todos los demás términos .

Resolviendo el sistema matricial, obtenemos: con i = 1..3.

Aproximando D * por , obtenemos:

de donde :

Por definición :

 

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:

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:

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
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

  1. Kindersberger , 2009 , p.  232
  2. (en) "  Modelización de Líneas de Transmisión  " (visitada 14 de enero 2013 )
  3. Kindersberger , 2009 , p.  234
  4. Kindersberger , 2009 , p.  196
  5. Kindersberger 2009 , p.  197
  6. Kindersberger 2009 , p.  199
  7. Thierry Van Cutsem , Análisis y operación de sistemas de energía eléctrica , Universidad de Lieja,2012( leer en línea )
  8. Kindersberger 2009 , p.  200
  9. Kindersberger , 2009 , p.  204
  10. 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 )
  11. Kindersberger , 2009 , p.  208
  12. Kindersberger , 2009 , p.  213
  13. Kindersberger , 2009 , p.  212
  14. Kindersberger 2009 , p.  223
  15. (in) Houssem Rafik y El Hana Bouchekara , Transmisión y distribución de energía eléctrica ,2010( leer en línea )
  16. Kindersberger 2009 , p.  213

Traducción

  1. distancia media geométrica , GMD en inglés
  2. radio medio geométrico , GMR en inglés

Bibliografía

Estándares

Enlace externo