Líneas de transmisión

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1 Líneas de transmisión Profesor: César Chilet 2013 Índice Introducción. Generalidades Componentes Conductores Calibres y longitudes. Cable de guarda. Nivel de tensión 5. 16/09/2013 Parámetros eléctricos. Efecto resistivo. Efecto Inductivo. Efecto capacitivo. Efecto corona. Conductancia Modelamiento y desempeño cchilet@tecsup.edu.pe 2 1

2 1. INTRODUCCIÓN Transporte Consiste en una red de líneas aéreas, o cables subterráneos. Las líneas: diseñadas para transportar grandes cantidades de potencia. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 4 2

3 Tipos de transporte Gran parte de la potencia se transporta mediante líneas aéreas de AC, utilizándose DC para propósitos especiales. Los cables subterráneos se utilizan en general en zonas densamente pobladas, o bajo agua, para largas distancias. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 5 2. GENERALIDADES 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 6 3

4 2.1 COMPONENTES 16/09/ A) Conductores eléctricos 16/09/

5 Conductores de fase. MATERIAL CONDUCTOR: Se utilizan casi exclusivamente conductores a base de aluminio, por razones de economía y de facilidad de ejecución. Mayor diámetro que el equivalente en cobre (por tanto menor densidad de flujo eléctrico en la superficie proporcionando un menor gradiente de potencial y menor tendencia al ionizado del aire efecto corona) 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 9 Conductores de fase Los conductores típicos son : AAC conductor totalmente de aluminio AAAC conductor totalmente de aleación de aluminio. ACSR conductor de aluminio y alma de acero. ACAR conductor de aleación de aluminio reforzado. Los nombres código del los cables AAC son nombres de flores (por ejemplo: 4AWG Rose; 266,8 MCM Daisy; 636 Orchid) y los cables ACSR son nombres de aves (por ejemplo 1 AWG Robin; 636 MCM Grosbeak; 1590 Falcon) 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 10 5

6 Cable La sección transversal de un cable de alta tensión. En la parte central, los cables son de acero y en parte externa son de aluminio. Debido al efecto pelicular skin, la corriente tiene a distribuirse por la parte externa, donde el aluminio es buen conductor. El acero brinda la fortaleza al cable. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 11 ACSR Es el tipo mas común. El reforzamiento consiste de un alma de acero de alambres de acero galvanizado que algunas veces es engrasado para protección adicional contra la corrosión. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 12 6

7 Conductor ACSR Capacidad de corriente: 650 A Conductor: 54 AL/7S Hilos de aluminio 3 capas 54 conductores Alma de acero 7 conductores 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 13 Ejemplo de conductores ACSR 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 14 7

8 Conductores en haces. Normalmente las líneas de media y alta tensión tienen líneas con conductores en haces. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 15 Conductores en haces. La razón para esto es que los campos eléctricos alrededor del conductor son reducidos. Esto lleva para bajar pérdidas por efecto corona y a un menor ruido. También la reactancia de la línea en el ohm/km es reducido por consiguiente hay un incremento en la transmisión de potencia. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 16 8

9 Sección a escoger Considerar: Intensidad admisible en régimen permanente. Caída de tensión Características mecánicas de los conductores Intensidad de corto-circuito admisible. Esfuerzos térmicos. Esfuerzos electrodinámicos. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 17 Sección a escoger Efecto corona. Aparamenta de protección. Normalización. Condiciones de seguridad. Condiciones reguladores. Pérdidas de energía. Precio. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 18 9

10 Factores a considerar Precio Materias primas Industria transformadora Costo energético Resistividad: Caídas de tensión. Pérdidas Joule. Características Mecánicas: Tensión de ruptura Reutilización Corrosión: Tiempo promedio de vida de la instalación. Lugar de implementación. Temperatura de funcionamiento Potencia transpordada. Exploración. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 19 Comparaciones 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 20 10

11 Electric characteristics of AC overhead power lines (data refer to one circuit of a double-circuit line) 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 21 B) Unidades comúnmente usadas 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 22 11

12 Unidades comúnmente usadas Longitud: metro (m), pie (foot) [ft], milla (mile) [mi] 1 ft = 0,3048 m 1 mi = 1609 m Área de la sección transversal: milimetro cuadrado (mm 2 ), circular mil [CM] 1 CM = área de un conductor de un milésimo de pulgada (mil) de diámetro. Calibre 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 24 12

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19 C) Cable de guarda 16/09/

20 Los cables de tierra se instalan en las líneas eléctricas aéreas de alta tensión como protección contra el impacto de las posibles descargas de los rayos sobre ellas. Cable guarda 16/09/ Cable de guarda Se muestra una línea trifásica con apantallamiento o protectores aéreos. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 40 20

21 Cable guarda Se sitúan sobre las fases, uno o dos cables, según la disposición de éstas y la tensión de la línea. Entre 66 kv y 380 kv es habitual su instalación y tensiones inferiores no es frecuente. Generalmente se dispone uno en la punta de los apoyos. Los tipos más empleados son los de acero galvanizado y los de alumoweld. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 41 Cable de guarda con fibra óptica La gran ventaja de esa asociación reside en la alta confiabilidad en la transmisión y recepción vía fibra óptica y en la cantidad de canales disponibles. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 42 21

22 3 NIVEL DE TENSIÓN Tensión de servicio Costo del transporte de energía en función de: Potencia de recepción, nivel de tensión y longitud de la línea. El óptimo económico (tensión) crece con la longitud de la línea y con la potencia a transmitir. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 44 22

23 Tensión de servicio Para determinar la tensión más conveniente y cuando se trata de líneas cuya longitud es superior a 30 Km, puede aplicarse la fórmula empírica y aproximada, debida a ALFRED STILL: L P U = 5,5 + 1, U = tensión de línea (kv), L = longitud de la línea (km) P = potencia activa conducida (kw). 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 45 Evaluación técnico-económico Costos fijos: postes, aisladores, conductores, equipamiento terminal, derechos de paso. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 46 23

24 Tensión de servicio Costos relativos a la pérdida de energía Potencia = 150 MW Distancia: 300 km Sección=400 mm 2. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 47 Espaciamiento equivalente entre conductores 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 48 24

25 Espaciamiento equivalente entre conductores 16/09/ Comparación AC o DC El tamaño exacto a partir del cual las líneas de corriente continua pasan a predominar depende de muchos factores, incluyendo las tecnologías utilizadas en conversores AC/DC cuyos costos han variado con el tiempo. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 50 25

26 Selección del nivel de tensión para L.T. 16/09/ Características eléctricas de una línea aérea AC (línea de doble circuito) 16/09/

27 LT MANTARO - COTARUSE 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 53 Datos técnicos líneas de transmisión Código Línea L-2051/2052 L-2053/2054 Denominación MANTARO COTARUSE- COTARUSE - SOCABAYA Sistema SEIN SEIN Calificación P P Tensión Nominal (kv) Longitud x Terna (Km) Tipo Aéreo Estructuras Material Acero Cantidad Cadena Aisladores Material Porcelana N Suspensión N Anclaje Año puesta en servicio /09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 54 27

28 Parámetros eléctricos de las LT 16/09/ Características del conductor 16/09/

29 Características del cable de guarda 16/09/ PARÁMETROS ELÉCTRICOS 16/09/

30 Parámetros eléctricos de la LT Los cuatro parámetros de las líneas, uniformemente distribuidos a lo largo de su longitud, son: La resistencia serie (Ω/km), La reactancia inductiva serie (Ω/km), La conductancia paralelo (S/km), La susceptancia capacitiva paralelo (S/km). 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 59 Parámetros eléctricos de la LT 16/09/2013 cchilet@continental.edu.pe 60 30

31 a) efecto resistivo 16/09/ Resistencia serie La resistencia eléctrica que presenta un conductor para DC (Rdc) es directamente proporcional a su longitud l e inversamente proporcional a su sección transversal S. Rdc 20 C = ρ20 C l S 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 62 31

32 Coeficiente de resistividad a 20 C Material Resistividad (Ω.mm 2 /km) Material Resistividad (Ω.mm 2 /km) Cobre 17,241 Aluminio duro 28,264 Aleación de 32,50 aluminio Acero galvanizado 192 AAC 28,71 AAAC 33,46 ACSR 32,31 ACAR 30,21 Acero recubierto de aluminio 84,8 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 63 Resistencia Factores que afectan a la resistencia efectiva de los conductores: Trenzado en espiral de los cables. Distribución no uniforme de la corriente por el conductor (Efecto pelicular o skin). Temperatura del conductor. Pérdidas de R efectiva = potencia en el conductor 2 I 32

33 a) Trenzado en espiral Los hilos del trenzado poseen mayor longitud que la del conductor completo, por ello el valor calculado de resistencia difiere del real. Incremento de 1% para conductores de 3hilos y 2% para conductores concéntricamente trenzados b) Variación de la resistencia con la Temperatura Temperatura: La resistencia eléctrica aumenta con el aumento de la temperatura del material conductor. Para los conductores metálicos, la variación de la resistencia con la temperatura se considera lineal y es dependiente del material. 33

34 Donde: Variación de la resistencia con la Temperatura R1 = resistencia a la temperatura T1 R2 = resistencia a la temperatura T2 T constante del material ρ AL-20 C= 2,83 x10-8 Ωm. ρ Cu recocido-20 C= 1,77 x10-8 Ωm. T AL-20 C= 228 C, temple duro con 61% de conductividad T cu recocido-20 C= 234,5 C con 100% de conductividad. T cu temple duro-20 C= 241,0 C con 97,3% de conductividad. Variación de la resistencia con la Temperatura (1) R DC T = R DC 20 C [ 1+ α ( T 20 C) ] α = coeficiente de temperatura( C T = temperatura de operación del cable( C) α α AL CU = 0, C = 0, C ) 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 68 34

35 Coeficientes de temperatura Material AAAC ACSR ACAR Cableado y/o Número de hilos /1 26/7 54/7 54/19 12/7 18/19 30/7 24/13 Coeficiente de temperatura (1/ C) 0, , , , , , , , , , , , /09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 69 Variación de la resistencia con la Temperatura (2) R DC T = RDC [ 1+ ( T 20) ] 20 C α 1 n t n = número de conductores t = número de ternas por fase 16/09/2013 cchilet@continental.edu.pe 70 35

36 c) Influencia del efecto pelicular (efecto skin) La corriente DC se distribuye uniformemente por la sección transversal del conductor, sin embargo, cuando una corriente AC recorre el conductor, disminuye la densidad de corriente en la sección central y se incrementa en su periferia (efecto pelicular) 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 71 c) Influencia del efecto pelicular (efecto skin) 36

37 b) efecto inductivo 16/09/ Reactancia inductiva serie La circulación de corriente AC a través de los conductores de una LT aérea trifásica produce un fem inducida debida a la propia variación de corriente en el conductor (autoinducción) y otra debido a la variación de la corriente en los conductores adyacentes (inducción mutua) 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 74 37

38 Inductancia y reactancia inductiva Inductancia: Relaciona la tensión inducida por el flujo variable, con la razón de cambio de la corriente. L = λ I Inductancia del conductor debido al flujo interno λint 1 Lint = = 10 I 2 7 H m Inductancia y reactancia inductiva Enlaces de flujo entre dos puntos externos. 38

39 Inductancia y reactancia inductiva Inductancia de líneas de conductores compuestos. Inductancia y reactancia inductiva Inductancia de líneas trifásicas con espaciamiento equilátero. 39

40 Inductancia y reactancia inductiva Inductancia de líneas trifásicas con espaciamiento asimétrico. Inductancia y reactancia inductiva Inductancia para líneas con conductores en haces (bundling). 40

41 Ejercicio Una línea trifásica de AT está constituida por conductores múltiplex dúplex (dos conductores por fase de cobre), tal y como se muestra en la figura. Cada conductor lleva la mitad de la corriente de fase. Además la línea está totalmente transpuesta. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 81 Se debe calcular: Ejercicio la resistencia (mω/km), la reactancia inductiva (Ω/km) y La reactancia capacitiva (Ω/km) de la línea por fase. Considerar como temperatura de servicio de la línea 80ºC. El diámetro de cada conductor es de 30 mm, y el valor de la separación s, entre conductores del haz es de 0,5 m. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 82 41

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43 c) efecto capacitivo 16/09/ Capacitancia de líneas de transmisión Capacitancia: Es la carga por unidad de diferencia de potencial. La capacitancia es un parámetro que depende del espaciamiento entre conductores y entre conductores y tierra. Las línea de flujo eléctrico se originan en las cargas positivas y terminan en las negativas. C = q V Df: densidad de carga perpendicular. K: permitividad del medio ko=8,85x10-12 (F/m) E: Intensidad del campo eléctrico (V/m). D f c = k. E m 2 43

44 Capacitancia de líneas de transmisión Capacitancia de líneas de transmisión 44

45 Capacitancia de líneas de transmisión Capacitancia de líneas de transmisión 45

46 Capacitancia de líneas de transmisión Capacitancia de líneas de transmisión 46

47 Capacitancia de líneas de transmisión Capacitancia de líneas de transmisión 47

48 Capacitancia de líneas de transmisión Capacitancia de líneas de transmisión 48

49 Capacitancia de líneas de transmisión 16/09/

50 d) Efecto corona 16/09/ /09/

51 16/09/ Corona y radio interferencia Las altas tensiones empleadas en sistemas de EHV (400kV) y UHV (700kV) da como resultado elevados gradientes de potencial alrededor del conductor. Si el gradiente excede los 30 kv/cm, rompe el nivel de aislamiento del aire, y da lugar a descargas, las cuales causan pérdidas de potencia llamadas perdidas corona, y a la emisión de ondas electromagnéticas, causando considerable radiointerferencia y ruido audible. La nieve es probablemente el factor metereológico que más aumenta las pérdidas seguido de la niebla, la lluvia y los humos industriales. El viento y el grado higrométrico apenas afectan. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe

52 Pérdidas corona Por ejemplo, las pérdidas corona en una línea de 400 kv es alrededor de 1kW/milla en buen tiempo y puede alcanzar los 150 kw/milla durante temporada de nieve y lluvia. En general la perdida de energía promedio debido a corona es un solo pequeño porcentaje de las pérdidas I 2 R. Esto porque las pérdidas corona es menor que el problema concerniente causado por la radiointerferencia y ruido audible. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe 103 e) conductancia 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe

53 Descargas a tierra El paso de la corriente del conductor a los apoyos puede producirse por las siguientes causas: conductividad interior del material. conductividad superficial del material. perforación de la masa aislante. descarga disruptiva a través del aire. 16/09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe /09/2013 cchilet@tecsup.edu.pe

54 RESUMEN 16/09/ Propiedades de materiales conductores 16/09/

55 16/09/ Parámetros 16/09/