¿Cómo se logra la transición de la distribución trifásica sin neutro al consumo trifásico con neutro?

Question

Una red de distribución típica suministra 6 o 10 kilovoltios de corriente alterna a una subestación cercana a los consumidores. Esto se hace típicamente con una línea trifásica sin neutro, solo tres cables yendo en paralelo. Luego hay un transformador que reduce el voltaje a algo como 110 o 230 voltios de corriente alterna.

Los consumidores típicamente tienen carga monofásica y aquí es donde entra el neutro: ahora tenemos tres cables de fase y el cable neutro como salida del transformador, y esas cargas monofásicas de diferentes consumidores se conectan a las fases de forma rotativa para que la corriente en el neutro se minimice y las fases conduzcan corrientes iguales. Sin embargo, a menos que la carga esté perfectamente equilibrada, las diferentes fases conducirán corrientes diferentes en el lado secundario del transformador y la diferencia es la corriente que fluye a través del neutro.

¿Cómo se aborda eso en el lado primario y en la línea de alto voltaje donde solo hay tres cables de fase y no hay cable neutro?

Answer 1

Una red de distribución típica en Australia se verá algo así como lo siguiente.

La sección "MV" es un sistema "trifásico" conectado en delta, por lo que es correcto afirmar que no hay un cable neutro. Sin embargo, sí hay un camino para que circulen corrientes neutras o de "secuencia cero" a tierra, a través del transformador de puesta a tierra 'zig-zag' que se instala para este propósito. (Las razones para instalar un transformador de puesta a tierra merecen una pregunta y respuesta separadas.)

Existen algunos fenómenos que pueden dar lugar a corriente neutral en una línea de transmisión MV, pero cargas desequilibradas de LV, que causan que circule una corriente en el punto/neutral estrella de LV, no causan corriente neutral en MV.

¿Por qué es eso?

La imagen de arriba muestra un sistema delta HV, estrella conectada a tierra LV. Hay una carga monofásica que consume 1 unidad (1 p.u.) de corriente del devanado LV 1, con la corriente que regresa a través del neutro LV.

¿Qué sucede en el HV?

Cada uno de los devanados HV y LV del transformador están acoplados magnéticamente por núcleos de hierro, por lo que la ley del "equilibrio de amperios-vueltas" debe aplicarse. Es decir, se aplica la conservación de la energía entre los pares de devanados HV y LV, HV1-LV1, HV2-LV2 y HV3-LV3.

Esto significa que una corriente de 1 p.u. en el devanado LV 1 debe ser equilibrada por una corriente de 1 p.u. en el devanado HV1. Y dado que no fluye corriente en LV2 o LV3, no puede fluir corriente en HV2 o HV 3 tampoco.

Según la Ley de corriente de Kirchhoff, la corriente de 1 p.u. en el devanado HV1 debe provenir de la línea HV L1 y la línea HV L2. Es decir:

Para un sistema delta-HV, estrella conectada a tierra-LV, las cargas LV monofásicas aparecen como cargas fase a fase en el sistema HV.

Esto responde a tu pregunta original: no importa qué tan desequilibrada sea la carga en el lado LV, no fluirá corriente neutra en el lado HV, por lo que no se necesita un cable neutro.

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Esto lleva a la pregunta: "Si no se necesita un cable neutral en el sistema conectado en delta, ¿por qué molestarse en poner un transformador de puesta a tierra en él?"

Puedo pensar en algunas razones, aunque no estoy seguro de ellas, así que no me lo tomes como referencia...

1. Sin una conexión a tierra, la red delta flotaría en relación con la tierra y podría estar a cualquier potencial arbitrario en relación con la tierra. Es decir, el sistema MV podría elevarse hasta 132,000V sobre el voltaje de tierra. Se necesita el transformador de puesta a tierra para unir el sistema MV a tierra y evitar que flote a voltajes peligrosos.
2. Corrientes de 'neutro' de secuencia cero sí fluyen en la red MV, es decir, desde corriente de carga capacitiva de línea. (Edit 2015-09-22: La corriente de carga está equilibrada bajo condiciones normales.) El transformador de puesta a tierra ofrece a estas corrientes de secuencia cero un lugar a donde ir.
3. El transformador de puesta a tierra será la ruta de retorno más atractiva para cualquier corriente de fallo de cortocircuito resultante de una falta a tierra en la línea. Por lo tanto, es un lugar atractivo para colocar un relé de detección de fallos a tierra.

Answer 2

Normalmente se realiza con la línea de distribución que alimenta el transformador con una conexión en triángulo (o Δ), y el usuario conectado a cada fase de un transformador conectado en estrella con neutro.

La corriente no fluirá en las otras dos fases y, por lo tanto, la carga no cambiará el voltaje en las otras dos líneas del secundario.

Para referencia, obtuve esta imagen del prof. Franco Mastri diapositivas.

Answer 3

El lado primario / de alto voltaje del sistema es capaz de manejar corrientes de fase desequilibradas, pero para utilizar los recursos de manera óptima, deben estar equilibradas. Por ejemplo, si cada fase tiene una carga máxima permitida de, digamos, 1,000A, entonces si las corrientes reales son 1000, 900, 1100, debe reducir la carga total para mantener la corriente máxima en <= 1000A, por lo que se reduce por un factor de 1000/1100 = 0.9091 en cada fase, dando 909, 818, 1000 amperios o un total de 2727A en lugar de los 3000 máximos teóricos, por lo que el manejo de potencia es aproximadamente el 91% de lo que debería ser.

Si alimenta tres fases sin neutro a un transformador conectado en delta en el lado primario y conecta los tres devanados de fase de salida en modo estrella, obtiene un neutro (punto central del delta) más 3 fases. Las cargas secundarias deben estar equilibradas si se requieren corrientes de fase primaria equilibradas. Así: