DISEÑO DE LÍNEAS DEDISEÑO DE LÍNEAS DE

TRANSMISIÓN 500kVTRANSMISIÓN 500kV

• El sistema generador de Brasil es basado fundamentalmente en energía hidráulica.

• Brasil originalmente desarrolló sistemas de transmisión asociados a las zonas generadoras determinadas por las cuencas de grandes ríos.

• El sistema interconectado nacional se desarrolló para permitir intercámbio de energía entre los grandes sistemas.

• La interconexión nacional es toda basada en líneas 500kV.

El SIN de

Brasil al año 2007

NIVEL DE TENSIÓN NÚMERO DE SE´S KM DE LT´S

345 73 9.360

440 27 6.830

500 110 29.650

525 42 5.230

En Brasil conviven sistemas de EHV en 345kV, 440kV, 500kV y 525kV

EL SIN AL

2009

Las líneas de transmisión 500kV son generalmente sistemas troncales y de

interconexión, para transmisión de grandes bloques de energía a largas distancias. La transmisión a largas distancias en CA tiene limitaciones

operativas que obligan la inclusión de subestaciones intermediarias de manera

que los tramos de línea tengan tipicamente entre 250 y 350km.

En 500kV, debido a los altos costos involucrados, no se utilizan soluciones

estándar, pero sí para cada caso es desarrollado un estudio de optimización en función de las características específicas

del proyecto.Basicamente, se tiene en cuenta:

LONGITUD, POTENCIA, CLIMA, TOPOGRAFÍA y CONFIABILIDAD.

La longitud de los tramos de línea depende del flujo de reactivos en el sistema. La generación de

reactivos capacitivos depende solamente de la tensión de la línea y la generación de reactivos

inductivos es variable con la corriente transportada. Cuando existe un equilibrio entre

reactivos capacitivos e inductivos se dice que la línea está transportando su POTENCIA

CARACTERÍSTICA o POTENCIA NATURAL (en inglés, SIL = surge impedance loading).

Para líneas convencionales típicas de 500kV, ese valor es del orden de los 1000MVA.

Las variaciones en el equilibrio de reactivos son compensadas por el uso de sistemas de

compensación reactiva (reactores o capacitores). Para aumentar la distancia entre

subestaciones y reducir el uso de compensación, fue desarrollado el concepto

de

Líneas de Potencia Natural Elevada

(LPNE).

Las LPNE son líneas de impedancia reducida, lo que permite aumentar la potencia natural de 20 a 25%.

Existen dos formas de obtener impedancia reducida:

- aproximando las fases, con el concepto de líneas compactas, o

- aumentar el diámetro del haz de conductores, con el concepto de haz expandido.

Las dos tecnologías conviven hoy en Brasil y son igualmente eficaces en su objetivo de reducir las impedancias.

En la interconexión N-S, por ejemplo, con una longitud de 1280km, existen líneas de 500kV paralelas utilizando las dos tecnologías.

Hay solucciones que emplean un mix de los dos conceptos, o sea, reducción parcial

de distancia entre fases con haz parcialmente expandido.

CONCEPTO DISTANCIA ENTRE FASES

DISTANCIA DEL HAZ

Convencional 10,5m 0,457m

Compacta 5,5m 0,457m

Haz Expandido 10,5m 1,200m

Mix 9,0m 0,950m

• Teniendo en cuenta la importancia de los sistemas 500kV como sistemas troncales y los altos costos de implantación, es fundamental la definición lo más precisa posible de modelos climáticos que permitan una zonificación de la traza bajo dos puntos de vista: Mecánica (viento y hielo) y Eléctrica (temperaturas, descargas y altitud).• La Zonificación Mecánica corresponde a la confiabilidad mecánica de la línea, directamente relacionada a la definición de estructuras, y la Zonificación Eléctrica corresponde a la confiabilidad eléctrica de la línea, directamente relacionada a la definición de los cables conductores.

CONFIABILIDAD Y MODELOS CLIMÁTICOS

Existen dos modelos de confiabilidad en uso: el determinístico y el estadístico. El modelo determinístico es lo más tradicional y es utilizado cuando no se dispone de información meteorológica en detalle o cantidad adecuados. Es basado en el concepto de velocidad máxima de viento sobre el cual se aplican coeficientes de seguridad, que en verdad reflejan nuestra inseguridad cuanto a la naturaleza de las cargas actuantes. Cuanto más inseguros estamos, más altos son los coeficientes de seguridad…Es el modelo en que se basa la NESC y las normas de varios países.

El modelo estadístico trabajo con el concepto de período de retorno del viento asociado a la confiabilidad. Ese es el modelo adoptado por la IEC, que sugiere tres clases de confiabilidad (I, II y III) asociadas a vientos con distintos periodos de retorno (50, 150 y 500 años), siendo que la velocidad de diseño aumenta con el periodo de retorno.

Sobre las cargas de esa velocidad de viento no se aplican coeficientes de seguridad, o sea, la línea es diseñada para la rotura bajo un riesgo conocido.

En Brasil se utilizan clases distintas en función de la importancia de las líneas. De una manera general se trabaja con 50 años para 138kV, 150 años para 230kV y 250 años para 500kV.

• Desde un punto de vista más general, el modelo estadístico nos permite más control sobre los riesgos que son asumidos para el proyecto, pues al fin tratase siempre de asumir un cierto riesgo. Por otro lado, en el modelo determinístico no se sabe el riesgo que corremos: si es muy pequeño, puede ser que se esté botando plata fuera, si es muy alto, sabemos el peligro.• Pero, para que el modelo estadístico pueda ser utilizado es necesario que exista una red de coleta de informaciones meteorológicas con mediciones hechas por lo menos durante 5 a 10 años con una metodología bien determinada.• Todo es una cuestión de que se ajuste las curvas de distribución de solicitación y de resistencia.

EJEMPLO DE ZONIFICACIÓN MECÁNICA

Período de Retorno (anos)

Tempo de Média

Zona A (km/ h)

Zona B (km/ h)

Zona C (km/ h)

250 10 min 100/95 115/105 125/125

250 3 s 150/150 170/160 190/190

30 30 s 100/100 110/100 130/130

SELECCIÓN DEL CONDUCTOR

La selección del conductor resulta de un estudio de optimización técnico-económico que comprende tres aspectos: AMPACIDAD, EFECTOS DE CAMPO y PÉRDIDAS JOULE. Y hay un cuarto que es el COSTO, que puede

ser dividido en dos tipos: COSTO INICIAL (de instalación o inversión) y COSTO

DISTRIBUÍDO, que corresponde al costo de las pérdidas Joule a lo largo de la vida útil de

la línea.

El criterio de AMPACIDAD define la sección mínima de conductor para transmitir una cierta potencia a una temperatura máxima aceptable

(normal < 75°C y emergencia < 90°C).La ampacidad es calculada por el equilibrio

térmico entre calor que entra y calor que sale del conductor (QJ + QS = QC + QR).

El cálculo bajo ciertas variables (temperatura ambiente, viento, sol, altitud, etc) resulta en una

cierta temperatura de diseño, pero durante la operación se pueden adoptar metodologías de

ampacidad dinámica.

EFECTOS DE CAMPO: CORONA, CE Y CM

El EFECTO CORONA es resultante del campo eléctrico en la superficie de los conductores,

conocido como gradiente. El fenómeno ocurre siempre que el gradiente del conductor supere el

valor crítico de rigidez dieléctrica del aire (también llamado gradiente crítico de corona) y

ocurre una migración de electrones dando origen a una corriente iónica de naturaleza randómica

que, además de causar pérdida de energía, también provoca ruido audible e interferencia en

transmisión de radio AM.

EFECTO CORONA

El Corona en 500kV es un de los factores determinantes en la selección del conductor y es razonablemente bien controlado por el uso de conductores múltiples en un haz que, de una cierta forma simula un aumento virtual del diámetro del conductor.Los criterios técnicos aplicados son los siguientes:

• No existir corona visual en 90% del tiempo• Limitar el ruido audible a un valor aceptable en el borde de la franja de servidumbre• Limitar el nivel de radio-interferencia en el borde de la franja de servidumbre.

RADIO-INTERFERENCIA

La radio-interferencia es limitada por un criterio de calidad de audición, o sea, por un criterio de relación señal-ruido, pues solamente se deben proteger señales de una cierta magnitud que sean posibles de ser escuchados. Ese valor mínimo de la señal es del orden de 66dB y la relación señal-ruido que produce una buena calidad de recepción es del orden de 24dB. Así se admiten valores de interferencia generados por la línea de hasta 42dB.

Es importante en el caso del Corona tener en cuenta que el gradiente crítico del aire, que está en la raiz de los problemas, se reduce con la reducción de la densidad relativa del

aire (RAD), exigiendo conductores de diámetro más grande conforme se incrementa el altitud. Por ejemplo, una línea que sale del

nivel del mar y cruza una cordillera puede tener dos o tres distintos conductores

solamente para cumplir con los requerimientos referentes al corona.

ALT B TEMP RAD GC(m) (mmHg) (°C)

0 760,0 25 0,9832 33,21500 713,7 23 0,9296 31,651000 670,3 21 0,8790 30,161500 629,5 19 0,8311 28,752000 591,2 17 0,7859 27,412500 555,2 15 0,7432 26,133000 521,4 13 0,7029 24,923500 489,7 11 0,6648 23,784000 459,9 9 0,6287 22,694500 431,9 7 0,5947 21,655000 405,6 5 0,5625 20,67

Abajo se encuentra el gradiente crítico de corona para un haz de 4 conductores de 26.5mm de diámetro en función del altitud.

Es importante percibir que lo

que cambia con el altitud es el

gradiente crítico, no el gradiente

real del conductor.

CASO DE LA LT 500kV MANTARO-CARAVELI-MONTALVO

4 x 750MCM

H < 2000m

4 x 1000MCM

H < 4500m

RADIO-INTERFERENCIA DE UNA CROSS-ROPE

RÁDIO INTERFERÊNCIA

LT 500 kV Imperatriz - SamambaiaAltura Mínima condutor / solo

V = 550 kV - f = 1,0 MHz - 4 x CAA 954 MCM "Rail"Resistividade do solo = 1.000 Wm

Estrutura ESL / ESP

Tempo Chuvoso

Tempo Bom

Critério = 42,0

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

50,0

55,0

60,0

65,0

70,0

75,0

80,0

-55,

0

-50,

0

-45,

0

-40,

0

-35,

0

-30,

0

-25,

0

-20,

0

-15,

0

-10,

0

-5,0 0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

50,0

55,0

Distância perpendicular ao eixo da linha (m)

Rád

io In

terf

erên

cia

(dB

aci

ma

de

1 m

V/m

)

CAMPO ELÉCTRICO

El campo eléctrico al nivel de suelo es resultado del voltaje de la línea y de la geometría de los

conductores, sin depender de la corriente. En ese caso los criterios adoptados son un valor máximo

que varia de 2 a 5kV/m en el borde de la franja.

CAMPO MAGNÉTICO

El campo eléctrico al nivel de suelo es resultado de la corriente y de la geometría de los conductores, sin depender del voltaje. En ese caso los criterios

adoptados son un valor máximo de flujo magnético de 833mG o 67A/m en el borde de la franja.

PÉRDIDAS JOULE Y ECONOMICIDAD

Las pérdidas Joule son un factor determinante en la selección del conductor, especialmente en líneas largas y de alta potencia. Los parámetros que intervienen son: longitud, sección y resistividad del material y corriente circulante.

Las pérdidas Joule está directamente relacionadas a la optimización económica de la línea, una vez que representan un costo distribuído a lo largo de toda la vida útil de la línea.

De esa manera, todos los criterios de selección de conductor que vimos hasta ahora influyen en el costo inicial de inversión y las pérdidas Joule son energía que se pierde todos los días.

PÉRDIDAS JOULE Y ECONOMICIDAD

Así, la ecuación económica es capitalizar el costo de inversión inicial a lo largo de la vida útil y sumarlo al costo de las pérdidas para cada sección del conductor, elegindo entonces la sección de mínimo costo global.

La forma como ese estudio es hecho tiene estrecha relación con el modelo de concesión de la línea. Si el que construye la línea es el dueño responsable por la transmisión, la preocupación con el tema de las pérdidas es suya. Pero, si el que construye solamente alquila la infraestructura a un otro ente responsable por la transmisión, ese ente es lo que debe imponer las reglas para las pérdidas.

MATERIAL DEL CONDUCTOR

El estudio del conductor óptimo debe ser desarrollado para cada tipo de material

disponible en el mercado de conductores.

Así, podemos considerar los cables tipo ACSR, AAAC, ACAR o AACSR. Otros tipos

existen, pero son muy caros a corresponden a solucciones particulares.

Además de los criterios antreriormente descriptos, en la comparación de materiales

interviene las flechas que cada cable permite.

AISLAMIENTO DE LA LÍNEA

La definición del aislamiento de la línea está directamente relacionada al desempeño bajo ciertos requerimientos en función de la confiabilidad deseada.

Definir el aislamiento es definir la resistencia que deben tener los gaps de la línea a cada una de las solicitaciones posibles: frecuencia industrial (50/60Hz), impulso de maniobra e impulso atmosférico, además del tema de la contaminación.

En la definición del aislamiento es importante tener en cuenta las correcciones por la densidad relativa del aire, que son ligeramente distintas para cada tipo de solicitación.

En líneas de 500kV, la solicitación que menos interviene en la definición de la ventana es el impulso atmosférico.

Las distáncias mínimas para cada tipo de solicitación

son asociadas a distintas condiciones de viento formando

una envoltoria en las ventanas de la torre.

COMPORTAMIENTO A IMPULSO ATMOSFÉRICO

Aunque el impulso atmosférico no determine al aislamiento de la torre, él tiene sí un rol importante en la confiabilidad de la línea, pues por mejor que se diseñe la protección del conductor contra descargas directas, hay siempre el tema del “backflashover”, que depende basicamente de la resistencia de puesta a tierra y de la soportabilidad de las cadenas.

Para el blindaje de los conductores se utiliza el modelo de Whitehead

R

P

0

X

G

hg

h

S

A

B C

S

S

S S

a bS

Q

h

hg

a

G

S

S P (XP, YP)

I

bS

F

E

Sb

S

(t)

I (t)

(XG, YG)

(X, Y(X)

(XG, X)

REQUERIMIENTOS DE DESEMPEÑO

El desempeño a impulso atmosférico es mensurado por número de salidas por 100km

de línea por año.

Para líneas de 500kV se espera una número menor a 1,0, siendo ninguna salida por falla

de blindaje.

Así, el tema del “backflashover” es una cuestión de coordinación entre aisladores y

aterramiento.

NÚMERO DE AISLADORES

El número de aisladores en 500kV es usualmente determinado por el criterio de

contaminación, que determina una longitud de línea de fuga mínima de acuerdo a la clase

de contaminación.

La norma utilizada es la IEC-815 que determina 4 clases de contaminación y su correspondiente línea de fuga mínima, que

varia desde 16 hasta 31mm/kV.

CONSIDERACIONES SOBRE FRANJA DE SERVIDUMBRE

La definición del ancho de la franja de servidumbre es hecha por tres criterios:MECÁNICO – es la verificación de la oscilación máxima de la flecha del conductor manteniendo una distancia mínima de seguridad.ELÉCTRICO – es la verificación del cumplimiento de los requerimientos de radio-interferencia, ruido audible, campo eléctrico y campo magnético.IMPLANTACIÓN – en el caso de torres atirantadas, las fundaciones de los tirantes deben estar dentro de la franja para cualquier altura de torre.

DEFORESTACIÓN SELECTIVA EN LA FRANJA

ESTRUCTURAS

Lo que las estrucuturas en 500kV tienen de especial son las dimensiones y el peso. Así, la

búsqueda de solucciones más livianas y de más fácil montaje es una constante.

Por otro lado, la optimización de la serie de estructuras es importante especialmente cuando tengamos una traza que pasa por

distintas zonas climáticas.

TIPO ZONA 1 ZONA 2 ZONA 3

CSE1 550 425 315

CSE2 700 550 410

CSE3 900 700 520

CSE4 1200 930 700

EJEMPLO DE UNA SERIE DE TORRES DE SUSPENSIÓN OPTIMIZADA PARA UNA LÍNEA

LARGA CON 3 DISTINTAS ZONAS CLIMÁTICAS