DETERMINACIÓN DEL CAMPO ELECTROMAGNETICO ALREDEDOR DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN ÁEREA DE 230 kv

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1 DETERMINACIÓN DEL CAMPO ELECTROMAGNETICO ALREDEDOR DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN ÁEREA DE 230 kv Ing. Rodmy Miranda Ordoñez RESUMEN: Las líneas aéreas de transmisión en 230 kv instaladas en el Sistema Interconectado Nacional (SIN) producen un mayor nivel de emisiones de campo eléctrico y magnético, estos niveles de emisión varían según la disposición de los conductores, distancias de separación entre vanos y longitud de los mismos. Las emisiones de campos electromagnéticos deben respetar los valores límites de exposición aceptados para las personas y establecidos en normativas internacionales y nacionales. Por esta razón a fin de determinar las emisiones del campo eléctrico y magnético se utiliza el método de la imagen eléctrica, obteniendo la variación del campo eléctrico y magnético en áreas de acceso a las personas a una altura de 1 m sobre el terreno. Palabras clave: Eléctrico y Magnético, Límites de exposición, Método de elementos finitos. 1. NOMENCLATURA La nomenclatura utilizada en este trabajo es la siguiente: V p, Potencial en el punto p E P, Intensidad de Eléctrico en el punto p B P, Densidad de flujo magnético en el punto p 2. INTRODUCCIÓN La creciente preocupación por los posibles efectos que los campos electromagnéticos pueden producir sobre la salud de los seres vivos ha sido analizada en diversos estudios científicos en los últimos años, limitándose simplemente a establecer límites de exposición para la emisión de campo eléctrico y magnético debajo de las líneas aéreas de alta tensión. La creciente demanda del Sistema Interconectado Nacional (SIN) ha dado lugar a la expansión del Sistema Troncal Interconectado (STI), con la construcción de líneas aéreas de transmisión en alta tensión entre las subestaciones de Santivañez- Sucre, Sucre-Punutuma, Carrasco-Urubo, Caranavi- Trinidad, Punutuma-Tarija, las cuales fueron diseñadas considerando limites de exposición de campos electromagnéticos establecidos por el Consejo de la Unión Europea (CE) que señala que para frecuencias industriales de 50 Hz los niveles de campo eléctrico y densidad de flujo magnético deben ser como máximo iguales a 5000 V/m y 100 µt respectivamente. Para verificar la emisión de niveles de campos electromagnéticos producidos por las líneas de transmisión se puede realizar un análisis analítico, como también la medición en sitio de estos niveles con equipos apropiados. El objeto del presente trabajo es determinar analíticamente, mediante un programa computacional desarrollado en Matlab, los niveles de campo eléctrico y magnético en líneas aéreas en 230 kv que permitan verificar el cumplimiento de los niveles de exposición permitidos por la CE. 3. REGULACIONES INTERNACIONALES Existen diferentes regulaciones internacionales que establecen límites para la exposición de trabajadores y público en general a las emisiones de campos electromagnéticos a frecuencia industrial. La Comisión Internacional de Protección contra la Radiación No Ionizante (ICNIRP, por sus siglas en ingles), establece límites de exposición de la población a campos eléctricos y magnéticos. Tabla 1 Límites de exposición de la ICNIRP para la exposición del público en general a los campos eléctricos y magnéticos. Frecuencia Eléctrico (V/m) Magnético (µt) 50 Hz 5, Hz 4, Fuente: ICNIRP (1998): "Recomendaciones para limitar la exposición a campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos (hasta 300 GHz) 19

2 20 Los límites de exposición de la ICNIRP para la exposición en el trabajo a campos eléctricos y magnéticos se presentan en la tabla 2. Tabla 2 Límites de exposición recomendados por la ICNIRP para la exposición laboral a los campos eléctricos y magnéticos. Frecuencia 4. CAMPO ELECTROMAGNÉTICO Los campos electromagnéticos producidos en las líneas de transmisión se componen de campo eléctrico y campo magnético, los cuales pueden ser desacoplados, lo que significa que estos pueden ser estudiados independientemente uno del otro. Las líneas aéreas de transmisión en el SIN utilizan sistemas trifásicos para el transporte de energía eléctrica, que considera tres voltajes sinusoidales en 50 Hz con igual amplitud pero con las fases separadas un ángulo eléctrico de 120 entre sí. Por lo tanto este ángulo debe ser considerado en el cálculo del campo eléctrico y magnético. Eléctrico Eléctrico (V/m) La intensidad del campo eléctrico producido depende de los siguientes factores: La distancia entre los conductores y tierra. La geometría de los conductores. El voltaje de operación Para la evaluación del potencial V, se utiliza la siguiente relación, VV pppp = αα qq kk ll rr ppkkpp Y para la intensidad del campo eléctrico en el punto, P(x, y). EE pppppp = αα qq kk pp ppkk FF ppkkpp Magnético (µt) 50 Hz 10, Hz 8, EE pppppp = αα qq kk pp ppkk FF ppkkpp Donde: α =1/(2πε 0 ), F pki = 1/r 2 - pku 1/r 2, donde r es la pku pki distancia entre la fase k y el punto P evaluado; r pki es la distancia entre la imagen eléctrica de la fase k y el punto P evaluado; n es el número de fases; q k es la carga eléctrica de la fase k. Es importante señalar que el potencial eléctrico V y la intensidad de campo eléctrico dependen de las cargas del sistema trifásico y el diseño de la geometría de los conductores de fase. Usando las ecuaciones de Maxwell para las capacidades de la línea se define como: [U]=[p][q] Donde [U] es la matriz de potencial de las fases (fase a tierra) y [q] es la matriz de coeficientes de potencial en la forma. pp ppii = αα ll DD ppii DD ppii pp pppp = αα ll DD pppp rr 0pp D ij es la distancia entre el conductor i y j; D ij es la distancia entre el conductor i y la imagen del conductor j; r 0i el radio del conductor i. Magnético La intensidad del campo magnético producido depende de los siguientes factores: La distancia entre los conductores y tierra. La geometría de los conductores. La corriente que a traviesa los conductores. En coordenadas cartesianas (x, y, z), las corrientes trifásicas en el eje z son: II RR = II II SS = II ee ii 2ππ 3 II SS = II ee ii 2ππ 3 Las componentes de densidad de flujo magnético producidas son: BB pppppp = ββ II kk pp ppkkpp kk 2

3 BB pppppp = ββ II kk pp ppkkpp 2 kk Y la densidad de flujo magnético es: El potencial eléctrico y el campo eléctrico alrededor del la línea de transmisión aérea de la figura 1, determinado en el entorno de Matlab se presenta en la figura 2 y 3 respectivamente. 2 2 BB pppp = BB pppppp + BB pppppp 5. CAMPO ELECTROMAGNÉTICO ALREDEDOR DE LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN EN 230 KV PUNUTMA-TARIJA Las características principales de la línea Punutuma- Tarija se resumen en los siguientes cuadros: Parámetros de la línea Potencia (MVA) 135 Voltaje Nominal (kv) 230 Corriente Nominal (A) 350 Parámetros del Conductor e Hilo de Guarda Descripción Conductor Hilo de Guarda Tipo ACSR Raíl EHS 5/16" Diámetro del Conductor (mm) La figura 1, muestra las dimensiones de la línea en 230 kv Punutuma-Tarija, estructura de suspensión (estructura de diseño), que considera una altura de las fases respecto del suelo de 21 m y la distancia desde el eje de la línea a los conductores de fase laterales de 7.7 m. Figura 2. Potencial eléctrico alrededor de la línea aérea trifásica en 230 KV 21 Figura 1. Dimensiones de la línea en 230 kv Figura 3. Intensidad de campo eléctrico alrededor de la línea aérea trifásica en 230 KV La densidad de flujo magnético B alrededor de la línea de transmisión aérea de la figura 1, determinado en el entorno de Matlab se presenta en la figura 4.

4 22 Figura 4. Densidad de flujo magnético alrededor de la línea aérea trifásica en 230 KV 6. CAMPO ELECTROMAGNÉTICO SOBRE LA FAJA DE SEGURIDAD DE LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN EN 230 kv PUNUTMA-TARIJA La altura de un trabajador (cuerpo humano) es asumido como 1.75 m. El cálculo del campo eléctrico y magnético que se presenta sobre el terreno será determinado a 1 m del mismo. La normativa Boliviana a través de la Resolución No. 160/2001 de la entonces Superintendencia de Electricidad establece las distancias de faja de seguridad o derecho de vía en líneas aéreas de alta tensión que se presenta en la Tabla 3. Tabla 3 Fajas de Seguridad, establecidos en la Resolución No. 160/2001. Figura 5. Variación del campo eléctrico dentro de la faja de servidumbre de la línea aérea trifásica en 230 KV a un metro del suelo El campo eléctrico máximo calculado dentro de la faja de servidumbre a 1 m del suelo es de 2.57 kv pico/m, menor a 5 kv pico/m (1.82x 2) que es el máximo limite permisible. La densidad de flujo magnético B a lo largo de la faja de seguridad de la línea de transmisión aérea de la figura 1, determinado en el entorno de Matlab se presenta en la figura 6. Nivel de Tensión 69 kv 115 kv 230 kv 20 m - 38 m 25 m - 45 m 35 m - 55 m El campo eléctrico a lo largo de la faja de seguridad del la línea de transmisión aérea de la figura 1, determinado en el entorno de Matlab se presenta en la figura 5. Figura 6. Variación de la densidad de flujo magnético dentro de la faja de servidumbre de la línea aérea trifásica en 230 KV a un metro del suelo La densidad de flujo magnético máximo dentro de la faja de servidumbre para una potencia de 350 MW es de 7 µt, menor a 83 µt que es el máximo

5 permisible. 7. CONCLUSIONES Con la finalidad de evaluar los campos electromagnéticos es necesario el uso de paquetes computacionales como el Matlab que es utilizado ampliamente en estudios de ingeniería eléctrica, mediante el cual se puede señalar que para una línea asimétrica de disposición horizontal lo siguiente : Los valores altos de potencial (fase-tierra) y la intensidad de campo eléctrico son mayores en la cercanía del conductor de fase C en el punto (x=7,7, y =21 m) el valor de potencial e intensidad de campo eléctrico es kv y kv/m respectivamente. El valor de la densidad de flujo magnético en la cercanía del conductor de fase C es 706 µt. AUTOR: Rodmy Miranda Ordoñez, licenciado en Ingeniería Eléctrica en la Universidad Mayor de San Andrés, ha desempeñado funciones en la empresa constructora S.G.E.C., en la entonces Superintendencia de Electricidad, la empresa transportadora de electricidad San Cristóbal Tesa S.A., la empresa generadora de electricidad Hidroeléctrica Boliviana S.A., el Comité Nacional de Despacho de Carga y actualmente cumple funciones como Gerente Técnico de la empresa distribuidora de electricidad Emprelpaz S.A. Sus áreas de interés son: Sistemas de Control, Sistemas Eléctricos de Potencia, Líneas de Transmisión y Electrificación Rural. 23