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DISEÑO DE LINEAS DE TRANSMISION Sistemas Eléctricos de Potencia

Salvador Acha Daza, Ph. D. Lima, Perú, Mayo 2012

Índice • Capítulo 1 SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA PARA EL DISEÑO DE LÍNEAS DE ALTA TENSION • Capítulo 2 MODELADO BASICO PARA LÍNEAS DE TRANSMISION • Capítulo 3 CALCULO DE PARAMETROS PARA LÍNEAS DE TRANSMISION • Capítulo 4 CARGABILIDAD PARA LÍNEAS DE TRANSMISION • Capítulo 5 EXTENSIONES PARA ESTUDIOS DE CARGABILIDAD DE LÍNEAS DE TRANSMISION

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Índice • Capítulo 6 COMPENSACION EN LINEAS DE TRANSMISION • Capítulo 7 GRADIENTE DE POTENCIAL, EFECTO CORONA • Capítulo 8 CORONA Y RADIO INTERFERENCIA • Capítulo 9 FENOMENOS TRANSITORIOS • Capítulo 10 CONCEPTOS DE AISLAMIENTO Y COORDINACION • Capítulo 11 ALGUNAS HERRAMIENTAS DE CALCULO 13/05/2012

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Comentarios generales 13 14

ç Security (Transient, Steady State)

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7

11 10

4

G

C

6 9

1

C

5

8

7 4

ç Economic (Steady State)

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G 3

IEEE Sistema AC, 14 Nodos 13/05/2012

C

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Capítulo 1 SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA PARA EL DISEÑO DE LÍNEAS DE ALTA TENSION

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1.1 INTRODUCCION •

Las actividades económicas requieren una cantidad importante de energía para transformar materias primas, ofrecer servicios y otras actividades productivas, como la agricultura.

•

La cantidad de energía per cápita es variable de acuerdo al país y al grado de tecnificación.

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1.1 INTRODUCCION •

El sistema eléctrico maneja una forma útil y flexible en aplicación y transporte, a diferencia del petróleo, gas, carbón o la energía hidráulica.

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Rápido desarrollo desde los años circa 1880, (sistema CD de Edison y los desarrollados en CA con el transformador y el motor de inducción), Otras aplicaciones en la iluminación y como fuerza motriz para motores en fábricas.

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Medio ambiente

RETO: ARMONIZAR Demanda

Tecnología

Recursos

Restricciones

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Datos: World Bank WBI, OCDE, Google

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Figura 1.1: Componentes de generación de un sistema eléctrico.

• • •

Las fuentes generalmente están alejadas de los centros de consumo y presentaran retos de integración al sistema tradicional, en cuanto a protección y en el control de su operación. A medida que su número aumenta y su proporción se incrementa, esto significará cambios en el comportamiento del sistema. Los elementos, como las líneas de transmisión, juegan un papel importante al interconectar el sistema.

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Energía requerida por sector Los requerimientos por sector y sus patrones de consumo determinan dirección de desarrollo de la red y de las fuentes

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Transporte y Residencial

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Esquema sobre Flujo Total de Energía 2010 (Quadrillion Btu)

En los departamentos de planificación debe tenerse este tipo de información y otras componentes. Los horizontes de planificación son importantes: corto, mediano, largo plazo 13/05/2012

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Flujo en Electricidad, 2010 (Quadrillion Btu)

Importante para diversificar fuentes primarias, evaluar potenciales aplicaciones y seguir el flujo hacia las aplicaciones. 13/05/2012

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Nuevos retos y tecnologías

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1.2 TRANSMISION EN EXTRA ALTO VOLTAJE Y PROBLEMAS RELACIONADOS • • •

Después de 1950 la energía tiene un uso creciente, Valores de tensión mas en el potencial; 345 kV y 400 kV se establecieron, cuando 230 kV no era adecuado por distancias. Posteriormente se desarrolló el nivel 750 kV, y se ha experimentado con valores hasta de 1,500 kV.

Con valores altos de tensión hay problemas nuevos: • • • •

Densidad creciente de corriente Capacitores serie para reducir impedancia serie y manejar mayor potencia “haces” de sub-conductores Altos gradientes de potencial, problemas y pérdidas por efecto Corona y por Radio interferencia

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• • • • • • •

Preocupación por efectos debidos a fuertes campos magnéticos y eléctricos Sobretensiones transitorias por “switcheo” (conexión/desconexión) y requerimientos sobre los aislamientos Valores crecientes de capacidad de corto circuito Apartarrayos y su comportamiento ante sobretensiones por “switcheo” vs descargas atmosféricas Compensación requerida por efectos de potencia reactiva Coordinación de aislamiento considerando niveles de impulso Maniobras y esquemas suplementarios: re-cierre mono-polar para ayudar al sistema a mantener sincronismo

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1.3 CONTENIDO DEL MATERIAL Capítulo 2 Modelado básico para líneas, énfasis en selección de nivel de tensión, capacidad de transmisión en función de longitud, pérdidas y la potencia a transmitir. Capítulo 3 Cálculo de parámetros fundamentales, arreglos de n conductores en una línea; con impedancia serie en función del retorno por tierra. Se calculan valores de secuencia cero, positiva y negativa; y modos de propagación. En electrostática, el efecto capacitivo se extiende al cálculo de gradientes de tensión superficiales. Capítulo 4 La cargabilidad, como límites operativos para una línea. Se trata el límite por efectos térmicos, por estabilidad angular o bien por caída de potencial entre el extremo de recepción con respecto al extremo de envío. 13/05/2012

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Capítulo 5 Extiende el análisis de cargabilidad con dispositivos de compensación, (capacitores serie, reactores en derivación y otros dispositivos activos (FACTS), con base a electrónica de potencia como: SVC, SC, etc. Capítulo 6 Criterios básicos y estudios para interconexión de sistemas, como aplicación de conceptos ya desarrollados contemplando la compensación para extender el rango de operación de la línea. Capitulo 7 Efecto corona y radio interferencia, resultado de valores presentes en la línea de transmisión: gradientes de potencial. Se incluye el tema de radio interferencia y el de ruido audible; con referencia a recomendaciones de CIGRE. Capítulo 8 Sobre fenómeno corona y radio interferencia. 13/05/2012

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Capítulo 9 Modelado y análisis de diversos fenómenos transitorios. Énfasis en el concepto de parámetros distribuidos y su respuesta transitoria. Capítulo 10 Conceptos de aislamiento y coordinación Capítulo 11 Algunas herramientas matemáticas que permiten solución a problemas que se presentan en los temas tratados, p. ejemplo: área bajo una curva, pendiente y gradiente, así como el cálculo de raíces de una ecuación.

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MODELADO BASICO PARA LÍNEAS DE TRANSMISION

Salvador Acha Daza, Ph. D. Lima, Perú, Mayo 2012

Objetivo Presentar el modelado básico para líneas de transmisión, con énfasis en: • Selección del nivel de tensión, • Capacidad de transmisión en función de: longitud, pérdidas y potencia que se quiere transmitir. • Se hace énfasis, mediante ejemplos, en la solución de problemas para ilustrar la aplicación y el tipo de resultados; mostrando pasos importantes del proceso.

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2.2 VOLTAJES ESTANDARIZADOS • Internacionalmente se tiene valores de transmisión en kV; sistemas trifásicos (tensión entre fases). La lista es definida con un 5% de sobrevoltaje máximo de operación en kV. • Los valores máximos no deben excederse en ningún punto del sistema, estos valores determinan el nivel de aislamiento para equipos asociados. • El ingeniero debe considerar equipo de compensación para el manejo de reactivos. En altos voltajes: reactores adecuados; para bajos voltajes: compensación capacitiva Tabla de Valores de Tensión Nominal y Máximas Tensiones de Operación Tensión Nominal (kV) Máxima Tensión Operativa (kV) Por ciento 13/05/2012

72.5

132

220

275

345

400

500

750

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242

300

362

420

525

765

10

10

10

9

5

5

5

2 3

Ejemplo 2.1 Al diseñar y operar líneas de transmisión de extra alta tensión y con distancia considerable, un problema a resolver es el voltaje: • Se tiene datos de secuencia positiva para impedancia serie y para la admitancia en derivación por efecto capacitivo. • Línea de 200 km, en 400 kV (entre fases) y frecuencia 50 Hz. • Alimentar carga de 600 MW con factor de potencia atrasado 0.9 manteniendo el voltaje nominal en el extremo de recepción. Calculo de parámetros para línea de transmisión Impedancia Ohms/km Admitancia S/km long. km z = 0.000000e+000 y = 0.000000e+000 200.0 +j3.270000e-001 +j2.283938e-006 Valores totales Impedancia Ohms Z = 0.000000e+000 +j6.540000e+001

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Voltaje LL (kV) VLL = 400.0

frec. (Hz) 50.0

Admitancia Siemens Y = 0.000000e+000 +j4.567876e-004

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Valores base Voltaje (kV) Potencia (MW) Corriente (Amp) 400.0 1000.0 1443.38 Zbase = 160.00 Ohms Ybase = 6.250000e-003 Siemens Valores totales en pu Impedancia pu Admitancia pu (1/2) Z = 0.000000e+000 Y = 0.000000e+000 +j4.087500e-001 +j3.654301e-002 Potencia 3f (MW) (fp0)(fp>0, Q