¿Qué causa la sobretensión en la red eléctrica?

¿Por qué la tensión de red está generalmente por encima del valor nominal? No estoy hablando de picos de poder, que dejan los márgenes. Estamos hablando de operaciones estándar. Por diseño, la potencia se establece más cerca del margen superior que al medio. Estas son las razones:

Todos los generadores de energía estándar funcionan con una cierta velocidad de rotación que está sincronizada con la frecuencia de la red. La frecuencia de rotación del generador también depende de la cantidad de polos con los que esté equipado; por ejemplo, todos los generadores de 4 polos en redes de 50 Hz funcionan con 1500 / min.

La frecuencia de cuadrícula es casi el único valor constante y constante que puede esperar de la cuadrícula.

A la velocidad fija, la potencia de salida de un generador se regula mediante la excitación de las bobinas de campo y la entrada mecánica en la turbina o el motor. Ambos valores deben ser regulados al unísono. Si aumenta la excitación sin aumentar la entrada mecánica, la máquina se ralentizará y quedará desincronizada, lo que debe evitarse.

Algunos tipos de centrales eléctricas funcionan de forma asíncrona (volante, solar, eólica principalmente), lo que significa que su potencia eléctrica debe ser regulada electrónicamente para ajustarse a la red.

Por varias razones, los proveedores de energía regularán hacia el extremo superior.

Primero, pueden reaccionar más rápidamente para reducir la potencia de salida: desviar un poco de vapor, reducir la excitación, listo. Para reaccionar hacia arriba, primero deben hacer más vapor, lo que lleva tiempo. Así que es más seguro estar en el límite superior.

En segundo lugar, la misma potencia se puede transportar más eficientemente cuando el Voltaje es más alto. Las pérdidas provienen casi exclusivamente de la corriente, un mayor voltaje significa menos corriente, por lo tanto, una menor pérdida, mayor porcentaje de voltaje llega al cliente y solo se pagará la energía que llegue.

Por último, una parte de la potencia utilizada es la resistencia eléctrica pura, que consume más energía con mayor voltaje, lo que lleva a un mayor consumo y mayores ventas. Supongo que esto no es un gran problema.

Ahora los proveedores de energía saben muy bien cuánta energía se consumirá en promedio. Saben cuánto más se necesitará en días especiales como el Día de Acción de Gracias (cada estufa está en acción ese día) o en el día de Superbowl. Planearán con anticipación por bastante tiempo.

La calidad de las líneas de la red se toma en cuenta aquí: si saben que la caída de voltaje dentro de un vecindario es bastante alta, el suministro a ese vecindario se configurará de manera que el voltaje planificado llegue a los clientes, si es posible. Los transformadores entre las redes de alta / media / baja tensión pueden regularse hasta cierto punto. (consulte ULTC en enlace )

Por lo tanto, las caídas de voltaje y también los cambios de fase son la pesadilla de los proveedores: estos dos factores conducen a mayores pérdidas en las líneas, que tienen que pagar por sí mismos.

Tienes razón en que la cuadrícula está bien afinada, sin embargo, no es tan estática como lo haría creer. Toda la red es una máquina inmensa que es bastante inestable. Se requiere un monitoreo y reajuste constantes para que el sistema mantenga operaciones estables.

Si bien es cierto que un generador genera un voltaje estable (en su mayor parte), la carga en la red cambia cada segundo. Los sistemas que monitorean estos cambios no siempre pueden reaccionar instantáneamente, especialmente cuando se trata de un gran objeto en movimiento, como generadores.

Comencemos en tu casa. El transformador que abastece a su área tiene tres fases. El planificador de la ciudad / pueblo habría diseñado las casas de su vecindario en una cantidad (casi) igual en cada fase. Ahora, si las cargas difieren, causará cambios menores en los voltajes en cada fase a medida que las fases se desequilibran. Esto generalmente es menor, pero puede causar fácilmente las fluctuaciones menores que ve. Si puede graficar mediciones a lo largo del tiempo, debería ser interesante cómo se ven las fluctuaciones durante las horas pico (mañanas y tardes).

Hay muchas otras formas en que la red es dinámica: las líneas de transmisión se calientan y se enfrían cambiando sus resistencias, la actividad solar induce corrientes en las líneas de transmisión, las ciudades enteras quedan fuera de la red debido a un accidente. Mi inestabilidad favorita personal es la fase del generador. Los generadores deben mantenerse en fase y en frecuencia, sin embargo, cuando la carga en ellos (la red) cambia, esto hace que el generador se acelere o disminuya ligeramente. Esto se compensa con ruedas de reacción que liberan y absorben energía del generador.

Todo lo anterior cambia la carga en la red y, por lo tanto, verá fluctuaciones de voltaje.

Como han dicho otros, el problema básico es que la demanda puede cambiar rápidamente, pero las grandes máquinas que generan electricidad y la entrada de energía no se pueden cambiar tan rápidamente.

Aquí en los EE. UU., el estándar es que todo se vuelve a evaluar cada 4 segundos. El centro de control de cada región controla las corrientes a través de varias líneas de transmisión, voltajes en varios lugares y la energía que se descarga en la red por cada uno de los grandes productores.

Se conocen las características de cada productor, y cada 4 segundos se les dice si deben regular su salida de potencia hacia arriba o hacia abajo. Las plantas nucleares son las más lentas en reaccionar y, por lo general, se mantienen en carga "básica". Luego están las plantas "en horas pico" que pueden reaccionar mucho más rápido, pero también hacen que la electricidad sea más costosa. Las plantas de mayor demanda son a menudo motores de turboeje que funcionan con un generador. Estos generalmente se mantienen fuera, excepto durante la alta demanda. Las plantas hidroeléctricas tienen sus propios conjuntos de características. Pueden reaccionar con bastante rapidez, en el orden de un minuto o unos pocos minutos, ante grandes cambios en la demanda. Se eligieron 4 segundos en parte porque en ese momento nada podía responder tan rápido. El controlador central que envía las señales cada 4 segundos también aplica un algoritmo de equidad. Por ejemplo, si hay varias plantas en el área, trata de utilizarlas por igual. La gestión de la red es un problema complejo, y hay mucho dinero que se desperdicia al hacerlo mal.

Hay una compañía local, Beacon Power , que crea sistemas de almacenamiento de volante para la red. Estos son grandes volantes en cámaras evacuadas montadas en cojinetes magnéticos. Cada volante puede almacenar unos 100 kWh de electricidad. Esto es puramente almacenamiento, no generación, pero la ventaja es que el almacenamiento y la recuperación de la energía se maneja electrónicamente y, por lo tanto, puede reaccionar muy rápidamente. Es posible hacer un caso de negocios para la instalación de estos volantes únicamente para el pico de corto plazo, tanto de absorción como de producción, que proporcionan. Algunas instalaciones de generación de energía más nuevas incorporarán dicho almacenamiento a corto plazo a nivel local. Eso permite que la instalación general se vea como una estación de energía de buen comportamiento, flexible y de reacción rápida, incluso si la fuente de energía definitiva es hidroeléctrica, carbón o petróleo.

Hay otra planta interesante cerca de escuchar llamada Northfield Mountain Reservoir . Es una estación de almacenamiento de energía mucho más grande que funciona con la energía potencial del agua. Durante las cargas ligeras, cuando las centrales eléctricas de reacción lenta producen más de lo necesario, el agua se bombea desde el río Connecticut cuesta arriba hasta el depósito de la montaña de Northfield. Durante una gran demanda, el agua fluye cuesta abajo hacia el río y produce energía. La estación tiene 4 generadores reversibles, cada uno con capacidad para 270 MW, por lo que toda la estación puede entregar más de 1 GW de potencia pico por un tiempo.

Todos estos generadores generan voltajes exactos para los que están diseñados. Es lo que sucede en el camino ... desde el generador hasta su enchufe, en su mayor parte.

• Durante las tormentas eléctricas en Sudáfrica, la iluminación se pegará cerca o directamente a una línea de alto voltaje que causará una masacre en las estaciones de bajada; hay protección para esto (y trata de reaccionar de inmediato) pero muchas veces la gente de las ciudades que están cerca llenarán las tiendas de reparaciones eléctricas al día siguiente porque su televisor explotó. Estos picos ondulan en la red, lo que se permite debido a niveles de tolerancia del 10%. (Hablo por experiencia y no estoy inventando cosas aquí)

• En otras partes del mundo, causadas por huracanes, terremotos.

• En otras circunstancias, podría ser causado por un árbol que cae sobre líneas de alta potencia

• Cambio repentino en las propiedades atmosféricas.

• Redirección de la red eléctrica (llamadas maintanace)

• Pero también puede ser causado en el hogar por dispositivos que generan retroalimentación.

A lo largo de los años y con la incorporación de nuevas leyes de cableado, se han eliminado principalmente estos descensos / picos. Pero la tolerancia sigue ahí y la mayoría de los dispositivos de los usuarios finales toleran esta desviación porque la corriente se refina aún más mediante el uso de transformadores en el dispositivo.

Más o menos lo que dijeron en la mayoría de los casos. Más:

Se necesita un tiempo finito para cambiar la potencia de salida si se trata de máquinas muy grandes. Las válvulas de la turbina hidráulica deben abrirse o cerrarse, lo que afecta a una gran cantidad de agua que fluye. Las turbinas de equipos con calderas alimentadas con carbón deben lidiar con la energía del horno si la carga cae, o se le agrega combustible adicional si la carga salta repentinamente.

Golpes de iluminación / un automóvil golpea un poste / un incendio de una casa o una línea quebrada corta un alimentador. Interruptores abiertos. La falla puede no propagarse hacia arriba de la cadena, o puede ser un poco. Carga las gotas de repente. Los controladores de la máquina giratoria requieren el apagado de la entrada de energía. Alimentación de agua a gotas de turbina, alimentación de carbón a fuego baja .... El voltaje aumenta rápidamente y luego vuelve a estabilizarse.

NZ y Francia están 12-11 justo antes del medio tiempo en la final de la Copa del mundo de Rugby. La pelota se arquea hacia los postes de la portería y rebota. No hay penalización otorgada. El árbitro hace sonar su silbato y los dos equipos salen corriendo del campo. 1,300,000 NZers dejan de ver televisión. El 22% va al lavabo. La estación de bombeo de suministro de agua no notará el aumento de tensión durante algunos minutos. 127,000 jarras eléctricas están encendidas para una taza rápida de café. Más. La carga de potencia aumenta drásticamente. Caídas de voltaje. Más agua se marca. más carbón, más .... Los dos equipos corren al campo, las calderas se apagan. Las luces están apagadas. Los baños están desocupados. ... Carga de gotas. El carbón todavía se está agregando, hasta ahora .... Aumenta el voltaje ....

Como todos los demás han dicho, la cuadrícula es una cosa que cambia constantemente. He visto algunos documentales sobre las compañías eléctricas locales aquí en los Países Bajos. Lo más común que escuchas es que tienen un período pico "típico" en el que tienen que producir electricidad. Normalmente las centrales eléctricas se preparan para estos momentos; ¿Hay suficiente capacidad para mantenerse al día con la creciente demanda?

Incluso llega tan lejos que algunas compañías de energía miran el radar meteorológico para detectar lluvias (especialmente inesperadas), duchas, etc. Lo que sucede es que la lluvia enfría una gran cantidad de edificios que, a su vez, requieren energía para mantenerlos a la temperatura adecuada. . La respuesta típica (es decir, el promedio) es que las personas usarán más electricidad y energía para mantener todo caliente. Para contrarrestar esto, la central eléctrica se prepara para una mayor capacidad cuando parece que va a llover porque saben que tendrán que entregar más energía como siempre.

Todos estos efectos son controlados por las computadoras. Es probable que se modele una gran cantidad de elementos estáticos y curvas "esperadas típicas" en ciertas circunstancias para que la cuadrícula no se mantenga estable. En realidad, solo unos pocos operadores están en las centrales eléctricas. Puede haber 1-2 técnicos en la pequeña central eléctrica y 1-2 operadores en la oficina.

Volviendo a tu pregunta: es muy difícil mantener la cuadrícula estable. Debido a la carga que puede cambiar más rápido que las máquinas, gran parte de la regulación se realiza en "patrones esperados". Añadir turbinas eólicas a la red dificulta un poco más la regulación, ya que pueden producir unos pocos MW adicionales cuando el viento sopla con fuerza, y unos minutos más tarde pueden desaparecer cuando se detiene.

La razón principal de sobretensiones son

1. Relámpago
2. subidas de tensión
3. Fallo de aislamiento
4. resonancia

Las cargas son de naturaleza resistiva, inductiva y capacitiva. En este inductivo y capacitivo, las cargas son de naturaleza reactiva, mientras que las cargas resistivas se denominan Real (potencia). En un sistema de energía en funcionamiento normal, la potencia real y la potencia reactiva deben estar en equilibrio, es decir, (aproximadamente) la potencia real generada = la potencia real consumida (carga + Pérdidas) más la velocidad del generador y amp; La frecuencia aumentará o disminuirá. De manera similar, la potencia reactiva generada = la potencia reactiva consumida, de lo contrario, el voltaje aumentará y disminuirá. Normalmente, los generadores están equipados para ajustar la potencia real y reactiva según los requisitos de carga mediante el monitoreo de voltaje y frecuencia. Actividades como la conmutación de rayos causarán una variación repentina que resultará en sobretensiones. La inductancia se opone al cambio en la corriente. cuando ocurre la conmutación, la inductancia intenta mantener la corriente aumentando el voltaje que produce una sobretensión. para futuras referencias.