Desequilibrio de fases: causas y protección

El contenido del artículo

• Una excursión a la teoría de la ingeniería eléctrica.
• Causas y consecuencias del desequilibrio de fase
• Restauración de hilo neutro
• Estabilizadores de fase inverter
• Transformadores de equilibrio
• Proteccion al sobrevoltaje

Ni los electrodomésticos ni los equipos de producción pueden funcionar sin una fuente de alimentación estable. El desequilibrio de carga y voltaje o el desequilibrio de fase es la principal causa de fallas y averías. Este fenómeno puede y debe combatirse, lo que requiere una comprensión integral de las reglas para el funcionamiento de una red eléctrica trifásica..

Una excursión a la teoría de la ingeniería eléctrica.

El sistema de CA trifásico se introdujo en la industria hace más de un siglo, prácticamente en la forma en que ha sobrevivido hasta nuestros días. El principal desarrollador de la red trifásica se considera Mikhail Osipovich Dolivo-Dobrovolsky, un científico doméstico que tomó las ideas de Nikola Tesla como base para sus desarrollos..

Las ventajas de una red trifásica son obvias: si, durante la rotación del campo magnético, aparece una corriente de forma simétrica y constante en el devanado tripolar del generador, su forma se puede utilizar fácilmente para invertir la conversión de energía eléctrica en rotación. En la era del desarrollo del progreso científico y tecnológico, la capacidad de utilizar libremente máquinas eléctricas era extremadamente importante y lo sigue siendo..

Unidad de alimentación garantizada AGM-7,5

Sin embargo, el sistema de suministro de energía trifásico no está exento de inconvenientes. Los voltajes en cada una de las fases están interconectados por el coeficiente de simetría. En una red trifásica se distinguen dos tipos de tensiones eléctricas: lineal, actuando entre fases y fase, que se mide entre la fase y el hilo neutro. Si la carga en cada fase es la misma (simétrica), el voltaje de línea es v3 veces mayor que el voltaje de fase. Dado que la inversión de la polaridad del voltaje en cada fase se alterna con el resto y se superpone parcialmente en el tiempo, una desigualdad significativa en la distribución de cargas conduce a un funcionamiento inestable de todo el sistema..

Causas y consecuencias del desequilibrio de fase

Cuando aparece la asimetría de carga, hay una pérdida de voltaje de fase en una de las fases, mientras que el voltaje de línea permanece constante. El circuito según el cual se conectan las cargas trifásicas puede considerarse como un divisor de voltaje: su caída en la fase más cargada será máxima debido a la baja resistencia, mientras que en las fases menos cargadas la tensión aumentará y tenderá a lineal. En otras palabras, el voltaje entre las fases se distribuye en proporción a la carga conectada.

Observamos esto en las redes eléctricas domésticas: todos los consumidores están conectados a diferentes fases, pero no hay garantía de que con una estricta individualidad de los modos de funcionamiento y la potencia de los equipos eléctricos, la carga se distribuya uniformemente. Por lo tanto, el esquema más común para conectar cargas en una red trifásica, llamado «estrella», se complementa con un cable neutro conectado a un punto central y conectado eléctricamente al sistema de puesta a tierra. Gracias a esta adición, el efecto de las cargas desequilibradas en los voltajes de fase se reduce significativamente, mientras que la eficiencia de la ecualización depende en gran medida de la conductividad del conductor neutro..

Si la conductividad es insuficiente o se corta el conductor neutro, el desequilibrio de carga aumenta nuevamente y provoca una distribución desigual de los voltajes de fase. Tal modo de operación de la red eléctrica está plagado de consecuencias graves: con un aumento de voltaje en cada consumidor activo, la intensidad de la corriente aumenta hasta los valores límite, fallan los filtros capacitivos de los dispositivos de conversión de energía, aumenta la probabilidad de ruptura del aislamiento, se observa sobrecalentamiento y un aumento en las corrientes parásitas en motores trifásicos. Una interrupción cero en la red de la ciudad ciertamente causará daños a los aparatos eléctricos conectados a una rama desprotegida, incluso si no están funcionando en este momento. A menudo, el daño al equipo es irreversible, además, la probabilidad de un incendio aumenta significativamente. El desequilibrio de fase también afecta negativamente a las fuentes de alimentación trifásicas: transformadores reductores de potencia y generadores trifásicos..

Restauración de hilo neutro

Para transmitir electricidad a largas distancias, se utilizan voltajes colosales, por lo que es posible reducir la sección transversal de los conductores a valores razonables. A medida que nos acercamos al consumidor, hay una disminución gradual de la tensión utilizando transformadores de potencia y una ramificación gradual de la red eléctrica. No es necesario conectar los transformadores con un cable neutro, un conductor tan maravilloso como la corteza terrestre hace frente perfectamente a esta tarea. Por lo tanto, una ruptura por cero puede ocurrir solo en la etapa final de la transformación: una subestación reductora de 6-0,4 kV o en cualquier punto de la red de distribución de baja tensión..

Para averiguar dónde es posible una ruptura en el cable neutro, vayamos a un ejemplo clásico: una red de suministro de energía trifásica de un edificio de apartamentos. Se puede colocar un cable de tres hilos y un bus de puesta a tierra común en el canal técnico que conecta las áreas del piso. También es posible conectar el bus neutro al bucle de puesta a tierra de la subestación utilizando el cuarto núcleo del cable. En casi todos los casos, es bastante simple determinar la ubicación de la ruptura, basta con medir el potencial eléctrico entre el bus cero y la tierra con un voltímetro. Si el dispositivo muestra valores cercanos a la desviación del voltaje de fase de la norma, entonces el lugar del daño debe buscarse antes de acuerdo con el esquema, moviéndose hacia la subestación..

La situación es diferente con las líneas eléctricas aéreas. Sigue el hilo neutro junto con los de fase a lo largo de toda la red de distribución, partiendo de la subestación o transformador. Naturalmente, nadie medirá de forma independiente el voltaje entre el conductor neutro y la tierra en cada polo de la línea aérea de transmisión. La ruptura solo puede determinarse visualmente, y aún mejor, por las fuerzas de los trabajadores del servicio de emergencia. Además, notamos que no tiene sentido conectar a tierra de forma independiente el conductor neutro en su área de responsabilidad, porque en este caso, la descarga de toda la red se producirá a lo largo del conductor del consumidor, lo que significa que la corriente fluirá a través del medidor..

Estabilizadores de fase inverter

No solo los consumidores con una conexión monofásica, sino también las redes de abonados trifásicas, incluidas las industriales, sufren la asimetría de voltajes y corrientes. Una de las formas más efectivas de resolver el problema del desequilibrio de fase es instalar un estabilizador de fase. A diferencia de los estabilizadores de voltaje domésticos convencionales, los estabilizadores de fase eliminan la asimetría al amplificar o redistribuir la carga..

De hecho, la función de un estabilizador de equilibrio polifásico se puede realizar mediante un conjunto de tres estabilizadores de tensión monofásicos. Sin embargo, si se combinan tres dispositivos en uno, esto puede prometer importantes beneficios. El principio de funcionamiento de un dispositivo trifásico radica en el hecho de que tiene un dispositivo de almacenamiento y conversión de energía, en cuya función es un transformador de pulsos. En resumen: un estabilizador monofásico, instalado en la fase más hundida, se ve obligado a compensar el aumento de voltaje aumentando el consumo de energía, que se acompaña de una fuerte disminución en la eficiencia del convertidor..

A su vez, los estabilizadores trifásicos extraen la energía necesaria para la ecualización de las fases en las que el voltaje es superior al nominal, por lo que la cantidad de pérdidas de conversión es mucho menor. En este caso, se realiza una carga adicional en las fases descargadas, es decir, no solo el consumidor, sino que también se estabiliza parcialmente la red de suministro. La presencia de un inversor común también le permite mantener una red trifásica con una falta temporal de voltaje en una de las fases de potencia..

Estabilizador de tensión trifásico FNEX SBW 100

No sin defectos. En primer lugar, estos son la complejidad del dispositivo y el alto costo de los dispositivos de estabilización trifásicos. En su mayor parte, los estabilizadores de fase se utilizan en el suministro de energía de pequeñas empresas equipadas con equipos eléctricos con un consumo total de energía de hasta 80-100 kVA: salas de calderas, estaciones base de comunicaciones móviles, tiendas de muebles. Para consumidores más poderosos, se proporcionan otros métodos de estabilización..

Transformadores de equilibrio

Otro tipo de dispositivo para estabilizar corrientes y voltajes son los transformadores balun. Tienen un rango de potencia más amplio. Para redes con un consumo de energía de hasta 400 kVA, se recomienda instalar transformadores de baja tensión del tipo TST, para transformadores de equilibrio más potentes de 6 / 0,4 kV del tipo TMGSU.

Ambos tipos de transformadores se diferencian de los transformadores de potencia convencionales en que tienen un devanado adicional. Está ubicado en paralelo con los devanados primarios y está conectado entre el cero de trabajo y el bucle de tierra del punto medio del transformador. El principio de funcionamiento es simple: cuando aparece una asimetría de las cargas en el cable neutro, surge una corriente, que se transmite al núcleo magnético del transformador y luego levanta la fase más cargada. La compensación se realiza automáticamente debido a la diferencia en los períodos de oscilación de las diferentes fases..

Los transformadores TMGSU prácticamente no se diferencian de los balunes de baja tensión. Colocar el dispositivo de equilibrio de fase en la etapa de transformación reductora simplemente permite excluir una cadena de transformación adicional y, en consecuencia, evitar pérdidas adicionales en el circuito magnético. Simplicidad, confiabilidad y bajo costo hacen de los transformadores balun la mejor solución para redes con bajos requerimientos de pureza sinusoidal. Sin embargo, los transformadores no tienen una gama tan amplia de funciones de protección y estabilización como la que tienen los dispositivos tipo inversor..

Proteccion al sobrevoltaje

Bueno, ¿qué pasa con los consumidores con una conexión monofásica? Desafortunadamente, no es posible influir de alguna manera en la probabilidad de desequilibrio y el aumento de voltaje resultante. Tales fenómenos ocurren periódicamente, la falla está en el equipo insuficiente de las redes principales, la falta de trabajo para pronosticar las cargas y el estado técnico deplorable de los sistemas de electrificación..

Sin embargo, aún puede proteger sus propias instalaciones eléctricas. La forma más sencilla es instalar un relé de voltaje, que apagará el suministro del objeto cuando aparezcan los parámetros operativos máximos en la red. Si incluso una falta temporal de suministro de energía en la instalación es inaceptable, hay dos formas de protegerse contra el desequilibrio de fase: instalando un estabilizador monofásico o equipando el grupo de distribución de entrada de interruptores de transferencia automática con una fuente de energía autónoma.