Informe DPD N 04/2015

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1 Informe DPD N 04/2015 Aplicación Art de NTSyCS CDEC SIC 30 de junio de 2015

2 Contenido 1. ANTECEDENTES METODOLOGÍA REVISIÓN PRELIMINAR ANÁLISIS DE LÍNEAS SELECCIONADAS RESULTADOS DEL ESTUDIO: REVISIÓN PRELIMINAR RESULTADOS RECOMENDACIÓN ANEXO 1: REVISIÓN PRELIMINAR FLUJO DESBALANCEADO Y CIRCUITO A ANALIZAR CONDUCTORES GEOMETRÍA DE ESTRUCTURAS Y ESCENARIO CONSIDERADO EN CADA CASO ANEXO 2: CONSIDERACIONES PARA EVALUAR ESTADO DE CUMPLIMIENTO ARTÍCULO

3 1. Antecedentes De acuerdo a lo indicado en el Artículo 10-8 de la NTSyCS vigente, corresponde a la DPD realizar el estudio para determinar qué líneas de transmisión en operación deben cumplir con lo indicado en el Artículo Este estudio debe ser realizado en un plazo no superior a un año desde la entrada en vigencia de la NTSyCS, es decir, debe concluir a fines de junio de El Artículo 3-22 indica que las líneas de transmisión deben garantizar que al transmitir la potencia correspondiente a su límite térmico a 25ºC con sol, en Estado Normal, el desbalance de tensiones en su extremo receptor no supere los siguientes límites: Inferior al 1,0% para líneas de tensión igual o superior a 200 [kv]; Inferior al 1,5% para líneas de tensión inferior a 200 [kv]. Además la norma indica, en el mismo artículo, que en el caso de no cumplir los límites anteriores se deben incluir los ciclos de transposiciones necesarios para cumplir con los límites indicados. De la interpretación de la norma se distinguen tres casos, los cuales se presentan a continuación: a. Nuevos proyectos de Transmisión: La norma establece que en el estudio del impacto de la nueva instalación, que debe ser presentado por el Coordinado para aprobación de la DO, se debe demostrar el cumplimiento de esta exigencia mediante una simulación, que considere en el extremo transmisor una fuente ideal balanceada sólidamente puesta a tierra y en el extremo receptor una carga ideal balanceada con factor de potencia 0,98 inductivo, también puesta a tierra. El cálculo de este índice de desbalance se realiza en conformidad con la norma IEEE Al respecto, la NTSyCS indica: el índice de desbalance se debe medir como la máxima desviación, en módulo, de las tensiones entre fases respecto del promedio de ellas, dividida por dicho promedio, donde los subíndices i y j corresponden a las fases A, B y C, de acuerdo a lo siguiente: b. Instalaciones de Transmisión en Operación: u = 100 [ U ij U prom U prom ] El presente estudio determinará que instalaciones de transmisión en operación deben cumplir con lo indicado en el artículo A su vez, el artículo 10-8 indica que los coordinados contarán con un plazo a convenir con la DO para ejecutar la transposición en aquellas líneas que no cumplan con el artículo. c. Proyectos de seccionamiento o derivación de líneas existentes: En este caso se define que en los estudios técnicos realizados por el Coordinado que solicita la conexión, se debe verificar que el impacto del Nuevo Proyecto mantiene el cumplimiento de 3 3

4 los límites de desbalance establecidos. En caso contrario, corresponderá adaptar los ciclos de transposición de la línea a las nuevas condiciones. 2. Metodología 2.1 Revisión preliminar Para cumplir con la exigencia del artículo 10-8 de la NTSyCS se desarrollará una revisión preliminar con el fin de identificar, de acuerdo al impacto del desbalance de tensión, cuales son las líneas a estudiar. Para determinar las líneas de transmisión a revisar se realizará primero un filtro mediante simulaciones en DIgSILENT para determinar el comportamiento del desbalance de tensión relacionado con variables como: longitud, transferencia y nivel de tensión; una vez obtenidos los resultados de dicho análisis se procederá a definir las líneas de transmisión en operación que deben cumplir con lo indicado en el Artículo Análisis de líneas seleccionadas Con el fin de garantizar el cumplimiento del Art de la NTSyCS en Líneas de Transmisión en operación se realizará un estudio teórico, mediante un análisis de flujo de potencia, para cada una de las líneas que cumplan con los criterios de la revisión preliminar. Para ello se utilizará cada modelo de las Líneas de Transmisión, considerando su longitud, tipo de conductor, tipo de estructuras y trasposiciones, en un sistema simplificado con las características: En el extremo transmisor una fuente ideal balanceada sólidamente puesta a tierra; En el extremo receptor una carga ideal balanceada con factor de potencia 0,98 inductivo, también puesta a tierra; La simulación debe considerar que la transferencia por la línea sea la potencia correspondiente al límite térmico de esta, a 25ºC con sol; Otros detalles en el Anexo 2. Dependiendo del grado de cumplimiento (resultados del estudio teórico) y de las condiciones particulares de cada línea analizada, se plantea además como complemento un estudio práctico (empírico). Para ello, las principales condiciones que debe cumplir dicho estudio son las siguientes: 4 4

5 Utilizar un analizador de red o equivalente, Clase A de acuerdo a la norma IEC ; El instrumento utilizado debe contar con certificados vigentes (antigüedad menor a un año) emitido por un laboratorio de calibración acreditados en el Sistema Nacional de Acreditación del INN que demuestre trazabilidad a un Patrón Nacional con trazabilidad internacional al Sistema SI (BIPM), o en su defecto, a un laboratorio internacional reconocido y con trazabilidad demostrada. El instrumento debe utilizar magnitudes provenientes de secundarios de Transformadores de Medida con precisión de facturación (Clase 0.2) El estudio se realizará con análisis estadístico de calidad de energía para el cual se deben considerar las siguientes condiciones: Se debe realizar en condiciones normales de servicio (Estado Normal de acuerdo a la NTSyCS). Se debe realizar mediante registro continuo de tensión durante 7 (siete) días. El registro de tensión se desarrollará en periodos de 10 (diez) minutos, considerando el valor eficaz o rms. de las tensiones de fase y tensión promedio en dicho periodo. Para cada periodo de 10 minutos se registrarán en una tabla las tres tensiones de fase y la tensión promedio, además se evaluará el índice de desbalance indicando si cumple o no, durante el periodo, con la exigencia de la norma. 2.3 Resultados del Estudio: En este informe se presentarán los resultados de los índices de desbalance para cada línea de transmisión estudiada y se recomendarán las medidas necesarias para su normalización. Para los futuros análisis, se sugiere que para cada línea de transmisión estudiada, los informes contengan como mínimo los siguientes campos: a) Estudio Teórico: i. Informe: Instalación Estudiada; Características técnicas de la instalación (longitud, tipo de conductor, tipo de estructuras y trasposiciones, etc.); Esquema simplificado de análisis; Presentación de resultados: En este campo se debe indicar el índice de desbalance y si la instalación estudiada cumple con la exigencia del artículo 3-22 de la NTSyCS; Comentarios o conclusiones. ii. Anexos Resultados de simulación; Parámetros del modelo DIgSILENT b) Estudio Práctico: i. Informe: 5 5

6 Instalación Estudiada; Fecha y lugar donde se realizaron las medidas; Instrumentos utilizados; Datos de placa del TTMM (razón, clase de precisión); Esquema simplificado de medida; Presentación de resultados: En este campo se debe indicar porcentualmente cuantas muestras cumplen con la exigencia del artículo 3-22 de la NTSyCS, sobre el total de muestras realizadas; Comentarios o conclusiones. ii. Anexos Certificado del instrumento; Diagrama elemental de Corriente Alterna identificando los puntos en donde se tomaron las medidas; Tabla Excel, con datos registrados en el periodo de medición. 3. Revisión Preliminar Para realizar el primer filtro, se considerará que los parámetros técnicos más relevantes que influyen en el desbalance de la línea son los siguientes: Tipo de Geometría de la torre; Longitud de la línea de transmisión; Carga. El tipo de geometría y la carga se fijarán considerando modelos adecuados de las líneas de transmisión del SIC y lo indicado en el artículo Manteniendo estos parámetros fijos, se variará la longitud de las líneas con el fin de encontrar la distancia máxima a la cual la línea de transmisión cumple con el índice de desbalance máximo de 1% indicado en la norma técnica. a. Tipo de Geometría de Torres de las líneas Se enfocará este primer estudio a las líneas del Sistema de Transmisión Troncal, por lo tanto se analizarán geometrías de líneas de voltaje 220 kv y 500 kv. El tipo de geometría se entiende como un parámetro relevante, pero sólo en el caso de cambios de nivel de voltaje (esto se demostrará comparando dos tipos de estructuras de 500 kv), por lo tanto, dentro de un nivel de voltaje se elegirá una geometría genérica. Las estructuras a analizar serán: Líneas de 500 kv de doble circuito, con estructuras de un circuito: Líneas tipo 1 y tipo 2. Líneas de 220 kv de doble circuito, con estructuras de doble circuito: Línea tipo 3. Líneas de 220 kv de triple circuito: Línea de tipo 4. Líneas de 220 kv de un circuito: Línea tipo

7 Para determinar los parámetros de la línea, la geometría típica de la torre será complementada con parámetros típicos de conductores y cables de guardia. Los datos de la modelación de las líneas tipo 1, 2, 3, 4 y 5 se encuentran en el Anexo 1. b. Longitudes: Como se indicó, para cada caso, es decir, carga y geometría de línea, se calculará una distancia mínima que permita llegar al máximo de desbalance indicado por la norma. c. Cargas a considerar: El nivel de carga que tiene una línea es un parámetro relevante para el desbalance, dado que mientras mayor flujo (y por lo tanto corriente) circule por la línea, mayores serán las diferencias de tensión en el extremo receptor. Según la NTSyCS, para cada tipo de línea se deben realizar los cálculos considerando una carga 0,98 inductiva en Estado Normal y que lleve a la línea a su límite térmico considerando temperatura ambiente 25ºC con sol. En los casos de líneas de doble circuito que operan en estado normal (considerando criterio N- 1), ambos circuitos no operan en sus respectivos límites térmicos, dado que la capacidad adicional de cada circuito sirve como respaldo del circuito que opera en paralelo. Por lo tanto, se considerará que las líneas en doble circuito operan en límite térmico cuando cada circuito opera a la mitad de su capacidad de transmisión, de tal forma de preservar el criterio N-1. El escenario a considerar serán las cargas máximas de diseño representativas para cada tipo de voltaje y geometría, de tal forma de operar en el límite térmico. De esta forma, las cargas serán las siguientes: Líneas de 500 kv de doble circuito, con estructuras de un circuito: Tipo 1: 772 MVA (sólo se modela estructura de 1 circuito) Tipo 2: 902 MVA (sólo se modela estructura de 1 circuito) Líneas de 220 kv de doble circuito: Tipo 3: 290 MVA, 145 MVA por circuito (se modelan estructuras de 2 circuitos) Líneas de 220 kv de triple circuito: Tipo 4: 580 MVA, 190 MVA por circuito. Líneas de 220 kv de un circuito: Tipo 4: 190 MVA d. Caídas de tensión de las líneas Dependiendo de la carga de la línea de transmisión, la caída de tensión entre su extremo transmisor y receptor debe ser tal que opere dentro de los rangos de la norma técnica, es decir: 7 7

8 0,97 y 1,03 por unidad, para instalaciones del ST 1 con tensión nominal igual o superior a 500 [kv]. 0,95 y 1,05 por unidad, para instalaciones del ST con tensión nominal igual o superior a 200 [kv] e inferior a 500 [kv]. Resultados de la Revisión Preliminar Los resultados se presentan tanto para estado normal, como para el estado sin condiciones de límite de tensión en el extremo receptor: Tipo 1 (2x500 kv) Tipo 2 (2x500 kv) Tipo 3 (2x220 kv) Tipo 4 (3x220 kv) Tipo 5 (1x220 kv) Condición Normal Sin Límite de Tensión Línea Compensada Long. [km] Desb. [%] V [pu] Long. [km] Desb. [%] V [pu] Long. [km] Desb. [%] V [pu] Reactor [MVA] 71 0,63 0, ,99 0, ,99 0, ,70 0, ,99 0, ,99 0, ,34 0, ,99 0, ,99 0, ,33 0, ,99 0, , ,68 0, ,00 0, ,99 0,95 19 Tabla 1 Evaluación Preliminar para determinar Líneas a Estudiar Como se puede apreciar en la Tabla 1, la condición de mínima tensión en el extremo receptor es más restrictiva respecto de la longitud máxima de la línea que la condición de desbalance mínimo. Al relajar el criterio de mínimo voltaje, el desbalance máximo se da para ciertas longitudes de línea que no dependen en gran medida de la compensación reactiva en el extremo receptor. A partir de las simulaciones realizadas se obtienen resultados que permiten identificar condiciones en las que el desbalance de tensiones cumple con la exigencia normativa y otros casos, sobre las cuales es necesario estudiar en detalle el cumplimiento de ésta de acuerdo a lo indicado en la Metodología del presente informe; de acuerdo a lo anterior las instalaciones a revisar en detalle son las siguientes: Para líneas troncales de simple y triple circuito, de nivel de tensión 220 [kv], el estudio considerará las líneas de longitud superior a 100 [km], con una carga aproximada de 290 y 580 MVA respectivamente. Para líneas troncales doble circuito, de nivel de tensión 220 [kv], el estudio considerará las líneas de longitud superior a 150 [km], con una carga aproximada de 290 MVA. 1 Sistema de Transmisión 8 8

9 Para líneas troncales doble circuito, de nivel de tensión 500 [kv], el estudio considerará las líneas de longitud superior a 110 [km], con una carga aproximada de 1544 MVA. Dado que el nivel de carga es un parámetro relevante, también se revisarán las líneas de menor longitud, pero con un diseño térmico superior a lo estudiado. 4. Resultados Teniendo presente los criterios del Título 3, se eligieron 14 líneas de transmisión pertenecientes al Sistema Troncal, a las que posteriormente se les aplicó a cada una el análisis teórico. Dada su relevancia, la complejidad de realizar mediciones sin perturbaciones de la red y las recomendaciones de este informe, los resultados acá presentados no consideran la necesidad de efectuar algún estudio empírico. Línea estudiada Índice de Desbalance [%] Línea 1x220kV Cautín Ciruelos 0,18 Línea 1x220kV Duqueco Temuco 1,51 Línea 1x220kV La Cebada Pan de Azúcar 0,77 Línea 1x220kV Valdivia Rahue 0,08 Línea 1x220kV Rahue Puerto Montt 0,12 Línea 1x220kV Valdivia Puerto Montt 0,12 Línea 1x220kV Charrúa - Lagunillas 0,06 Línea 3x220kV Maitencillo Cardones 0,48 Línea 2x500kV Ancoa Alto Jahuel 0,49 Línea 2x500kV Charrúa Ancoa 0,08 Línea 2x220kV Nogales Polpaico 20,74 Línea 2x220kV Polpaico Quillota 1,36 Línea 2x220kV Ancoa - Itahue 0,89 Línea 2x220 kv Colbún-Candelaria 1,98 Tabla 2 Desbalance de las líneas estudiadas 5. Recomendación Considerando la época en la cual fueron diseñadas las líneas de transmisión analizadas, para discriminar las instalaciones que deben ser normalizadas, se ha utilizado el criterio en base al estándar IEEE 1159, utilizado como referencia de diseño para líneas de transmisión antes de la actual versión de la NTSyCS. Dicho estándar de IEEE considera, en estado estacionario, como normal un índice de desbalance de tensiones en el rango 0,5 a 2%. 9 9

10 De acuerdo a los resultados presentados en la Tabla 2, se recomienda normalizar la condición de diseño de la Línea 2x220kV Nogales Polpaico, propiedad de Transelec, ya que de acuerdo a los análisis realizados el índice de desbalance de tensión en el extremo receptor es superior a un 20%. Para tal efecto el propietario deberá proponer en un plazo de 6 meses un plan de normalización mediante implementación de trasposiciones o bien diseñar e implementar una solución de compensación reactiva monofásica que permita llevar la condición de diseño a lo exigido por la NTSyCS en el artículo

11 6. Anexo 1: Revisión Preliminar 6.1 Flujo desbalanceado y Circuito a Analizar Los cálculos se realizaron en DIgSILENT PowerFactory Los flujos de potencia fueron trifásicos, desbalanceados, considerando la resistencia de los cables a 20ºC, considerando las cargas sin dependencia de voltaje. Las resistencias de los cables se consideraron a 20ºC. Cuándo la línea está en operación, las resistencias son mayores que las de 20ºC, por lo que, en teoría, las longitudes para las cuales es necesaria la transposición son menores. Se estima, mediante un simple análisis de sensibilidad, que para la primera revisión este parámetro es poco relevante y, por lo tanto, es posible utilizar la resistencia del conductor a 20ºC. Los circuitos analizados fueron construidos como lo indica el artículo 3-22 de la norma técnica: 11 11

12 Extremo transmisor: Fuente ideal balanceada sólidamente puesta a tierra. Extremo receptor: Carga ideal balanceada con un factor 0,98 inductivo, aterrizada. 6.2 Conductores Los datos utilizados para modelar los conductores de las líneas consideradas son los siguientes: AAC Hawthorn: MCM 1192 (604,2 mm2), 2 conductores por fase Voltaje Nominal: 500 kv Corriente Nominal: 1,24 ka Número de subconductores: 2 Resistencia DC (20ºC): 0,0477 ohm/km GMR (radio Equivalente): 31,96*0,7788/2=12,44 mm Diámetro exterior: 31,96 mm Separación entre subconductores: 400mm 12 12

13 Nota 1: En todos los conductores, el voltaje nominal no influye en los cálculos que realiza el programa para calcular los desbalances. Nota 2: En los conductores de 500 kv, la corriente nominal es la que corresponde al diseño térmico de la línea de transmisión, no a la del sub-conductor. Este parámetro, al igual que el voltaje nominal, no influye en los cálculos de desbalance. Nota 3: En todos los conductores, el Radio Medio Geométrico se determinó con la fórmula: GMR = r e 1/4 r 0,7788 ACAR 700 MCM (354,7 mm2), 4 conductores por fase. Voltaje Nominal: 500 kv Corriente Nominal: 0,86 ka Número de subconductores: 4 Resistencia DC (20ºC): 0,0858 GMR (radio Equivalente): 24,45*0,7788/2 = 9,52 Diámetro exterior: 24,45 AAAC Flint Voltaje Nominal: 220 kv Corriente Nominal: 0,79 ka Número de subconductores: 1 Resistencia DC (20ºC): 0,89 GMR (radio Equivalente): 25,16*0,7788=9,79 Diámetro exterior: 25,

14 Nota 4: En este caso, dado que se analizaran distintas líneas con el mismo conductor, la corriente ingresada corresponde a la capacidad del conductor. Se recuerda que este parámetro no influye para los objetivos de este análisis

15 Cables de guardia EHS 3/8, para 220kV y 500kV

16 6.3 Geometría de Estructuras y Escenario considerado en cada caso. Geometría línea 500 kv simple circuito Línea tipo 1: Estructuras de simple circuito; Dos cables de guardia; Dos subconductores AAC Hawthorn por fase; límite térmico del doble circuito 1544,4 MVA. Conductor X [m] Y [m] A 1,425 23,2 B 12,2 23,2 C 22,975 23,2 CG1 0 26,94 CG2 24,4 26,94 La altura al suelo se calculó considerando una distancia mínima al suelo de 9 [m]. Línea tipo 2: Estructuras de simple circuito; Dos cables de guardia; 4 subconductores ACAR 700 MCM; límite térmico del doble circuito 1804 MVA. Conductor X [m] Y [m] A 0 22,82 B 12 22,82 C 24 22,82 CG1 1,818 27,75 CG2 22,

17 Geometría línea 220 kv doble circuito Línea Tipo 3: Estructuras de doble circuito; Un cable de guardia; Un conductor Flint por fase; Límite térmico del doble circuito 290 MVA. Conductor X2 [m] Y2 [m] X1 [m] Y1 [m] A 0,5 20,78 7,965 12,52 B 0 16,65 8,43 16,65 C 0,365 12,52 7,93 20,78 CG1 4,215 26,8 - - Se supuso distribución de fases de mínima impedancia: a1, b1, c1; c2, b2, a2. Línea Tipo 4: Con el fin de abarcar el escenario de líneas en 220 kv que operan con 3 circuitos (una estructura de doble circuito más una estructura de un circuito), se simulará una estructura de doble circuito, con las mismas características anteriores, pero considerando una potencia de operación por circuito de 193 MVA. El circuito restante (línea de estructuras de 1 circuito) se modelará separadamente, y servirá su análisis tanto para este escenario como para líneas de un circuito que operan con criterio N. Geometría línea 220 kv simple circuito: 17 17

18 Línea Tipo 5: Estructuras de un circuito; Sin cable de guardia; Un conductor AASC Flint por fase; Límite térmico de la línea 190 MVA. Conductor X1 [m] Y1 [m] A 0,8 15 B 0 12 C 7,

19 7. Anexo 2: Consideraciones para evaluar estado de cumplimiento Artículo El índice de desbalance de tensión se debe calcular en conformidad con la norma IEEE 1159, según se indica en el Artículo 3-22 de la NTSyCS. El cálculo se debe realizar mediante DIgSILENT PowerFactory, considerando en el extremo transmisor de la línea una fuente ideal balanceada, sólidamente puesta a tierra y en el extremo receptor, una carga ideal balanceada, también puesta a tierra. Las cargas deben ser: En las líneas de simple circuito: Carga igual al límite del tramo, con factor de potencia 0,98 inductivo. En las líneas de doble circuito: Carga total del doble circuito igual al límite del circuito de menor capacidad (criterio N-1) con factor de potencia 0,98 inductivo. En las líneas de triple circuito: Carga total del triple circuito igual a los 2/3 del circuito de menor capacidad (criterio N-1), con factor de potencia 0,98 inductivo. Límite del circuito para este cálculo se entiende como la máxima corriente que puede pasar por éste considerando las limitaciones térmicas de cada uno de los elementos serie conectados hasta la conexión a la barra de la subestación. Para efectos de modelar la geometría de la línea, se debe considerar la estructura más representativa del tramo, es decir, la de mayor cantidad en el tramo. Voltaje en el extremo transmisor igual a 1 [pu]. No se debe considerar la caída de voltaje del extremo receptor como un motivo de no cumplimiento del Estado Normal. No se deben considerar las conexiones en Tap Off de los tramos estudiados. Se deben considerar los efectos mutuos entre circuitos. Se deben modelar las transposiciones de las líneas