¿Por qué los cables subterráneos "requieren un mayor grado de compensación de potencia reactiva" que las líneas aéreas?

Estaba leyendo una hoja de alarde de los transformadores gigantes de cierta compañía, y me encontré con esta oración:

Además, en algunas regiones, las líneas aéreas existentes están siendo reemplazadas por cables subterráneos, que requieren un mayor grado de compensación de potencia reactiva .

¿Por qué es esto?

transformer power-grid usuario60561
fuente

No soy un EE, así que no voy a tratar de responder, pero recuerda que las líneas en la red eléctrica son líneas de transmisión . Han distribuido la inductancia a lo largo de los conductores, y han distribuido la capacitancia entre los conductores. La geometría de una línea subterránea es muy diferente de la geometría de una línea aérea, por lo que debe esperar que tenga una impedancia característica diferente y, no sé qué más.

Solomon Slow

Corrija @jameslarge, que la impedancia característica es la diferencia clave y, por supuesto, la longitud de la línea. ¿Sabes qué es para los cables de alimentación U / G y O / H?

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

También me encontré con esta conferencia, que explica cómo funcionan las líneas de transmisión: egr.unlv.edu/~eebag/TRANSMISSION%20LINES.pdf Realmente aprecio las respuestas, entiendo esto mejor que antes. Las porciones de matemáticas involucradas, sin embargo, creo que debería sentarse y figura que en algún momento :)

user60561

La capacitancia entre los cables de alimentación en un conducto subterráneo es mucho mayor que para los cables aéreos porque los cables están mucho más juntos. El tamaño del cable se elige por su capacidad de carga de corriente; por lo tanto, si exige que los cables de alimentación transporten corriente reactiva, debe comprar cables de alimentación de mayor calibre. Entonces, los greenies le cuestan más a la sociedad.

Brian

@Brian "porque los cables están mucho más juntos", esto no es correcto. Cada cable está revestido, por eso la capacitancia es mucho mayor, la proximidad de los otros cables es mucho menos significativa. Vea la respuesta de Tony Stewart (que he confirmado mirando los cables subterráneos de alto voltaje en los catálogos)

usuario60561

Respuestas:

Respuesta corta: el cable subterráneo (U / G) utiliza coaxial con blindaje de tierra.

Por lo tanto, es el material de PE (polietileno) blanco el que aumenta la capacitancia subterránea, ya que separa el núcleo central y la cubierta de tierra de la trenza de cobre y no la proximidad de las líneas de fase a fase (aunque esto tiene algún efecto).

A continuación se muestra solo un ejemplo de fase única.

El diseño de los cables de distribución de energía ha mejorado a lo largo de las décadas y ahora tienen experiencia histórica sobre lo que funciona mejor.

Utilizan núcleo de acero revestido de conductor no coaxial con / sin revestimiento aislante. Esto hace que la capacitancia de la línea de alimentación sea insignificante en comparación con el cable coaxial utilizado para U / G, ya que la línea de aislamiento a tierra es mucho mayor en el cable coaxial.

La unidad ABB en cuestión tiene un rango dinámico superior para manejar el amplio rango de corrección del factor de potencia de impedancia reactiva de cables que pueden incluir cable coaxial U / G XL / O / H.

• Los reactores de derivación se utilizan para compensar la capacitancia de derivación de línea bajo carga ligera o sin carga para regular el voltaje.
• Los condensadores en serie a menudo se usan para compensar la reactancia inductiva de la línea para transferir más potencia y aumentar la estabilidad de la red.

Cable aéreo (triaxial) sin funda

cada paquete de 3 cables lleva el mismo voltaje para reducir los efectos de arco y viento.

Cable revestido subterráneo (y a veces por encima) (cable XLPE blindado)

El cable de alto voltaje blindado Cross Link siempre se usa para líneas eléctricas subterráneas.

Experiencia técnica

La capacitancia de una línea de transmisión monofásica está dada por la relación de separación y radio efectivo.

$C=\dfrac{2πε}{ln(\frac{D}{r})}$

Las líneas O / H se benefician de la separación de 2,3 o 4 conductores muy separados para mayor fuerza contra el viento y efectos de ruptura elevados del radio de divergencia de campo E reducido. Esto reduce L y eleva C ligeramente, pero sigue siendo valores muy bajos de C / km en comparación con los altos C / km de cable coaxial U / G debido a la pequeña separación r del conductor central a la cubierta coaxial.

A continuación se muestra el modelo de Telegrapher de todas las líneas de transmisión, incluyendo Ethernet, televisión por cable, líneas telefónicas y líneas de alimentación de CA o CC. (excepto que la fuga de derivación R se descuida aquí)

La resistencia en CC no es la misma que la impedancia distribuida que afecta los reflejos y las sobretensiones debidas a perturbaciones.

Las líneas O / H son a menudo triaxiales como las anteriores.

El cable O / H a menudo tiene una impedancia de onda característica SIL de 400 ohmios y los cables U / G son 50 ohmios = + / - 25% dependiendo de la ampacidad y la clasificación BIL.

Esto aumenta las corrientes de sobretensión de arranque en negro para los cables U / G, por lo que es necesario ajustar la reactancia de derivación.

Fotos a seguir.

Otro

Por encima, los cables O / H son mucho más baratos de comprar e instalar por km, pero la frecuencia de las reparaciones es mayor debido a la exposición a rayos, huracanes y árboles. Pero también son más rápidos y más baratos de reparar. Pero al observar la devastación en Puerto Rico y otras ubicaciones con infraestructura deficiente, las ventajas de costo del ciclo de vida de los cables de alimentación subterráneos U / G a pesar de los mayores costos de servidumbre, el costo del cable y los resultados de los costos de reparación, pero a un MTBF más alto (si se hace correctamente) resulta en menores costos del ciclo de vida. El estrés ambiental siempre afecta estas decisiones.

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Nota rápida; XLPE es polietileno reticulado, no poliuretano reticulado.

Li-aung Yip

Pedo cerebral. TY Yip

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Como los conductores de las líneas subterráneas están más juntos que las líneas aéreas, la capacitancia es mayor. Esta capacitancia puede tomar una corriente de carga bastante considerable.

Por cierto, la inductancia, ya que incluyen un área de bucle más pequeña, es menor.

Neil_UK
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Los cables subterráneos (U / G) para distribución siempre están revestidos a tierra y solo a veces para cables O / H, por lo tanto, los cables revestidos tienen uF / km mucho más altos. No tiene comparación con la brecha de alambre. Puede variar de 0.1 a 2uF / km

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

No es la brecha de cable fase-fase en los cables U / G, sino que es la brecha de fase a blindaje (cubierta gnd) lo que hace la diferencia en C y la longitud / diámetro d vs longitud para L

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Las líneas aéreas tienden a tener más inductancia, lo que solo requiere un condensador barato en paralelo para corregir. Sin embargo, las líneas subterráneas están dominadas por la capacitancia que requiere inductores costosos para corregir el factor de potencia

teambob

Pero lo que sea magnético de la tierra es mayor que el del aire, por lo que la inductancia (y pérdidas inductivas) del cable enterrado será mayor que el mismo cable suspendido en el aire.

Hot Licks

@Neil_UK Si examina la construcción típica de cables O / H frente a U / G, encontrará que los U / G son blindaje coaxial por fase. NO es ese agrupamiento de fases más cercano lo que aumenta la capacitancia, sino el hecho de que todos los U / G deben ser coaxiales por razones de humedad, mecánicas y térmicas y, por lo tanto, usar una pureza de alto grado de aislamiento XLPE en el cable coaxial. Así que más cerca, sí pero mal, no es por eso que C es más alto Lo siento -1