Generalidades.
El SEP es el conjunto de todas las instalaciones y equipamientos
destinados a la generación, transmisión y distribución de energía eléctrica.
Iniciando con una línea de transmisión que conecta la central eléctrica con una
carga industrial o de iluminación de una ciudad, teniéndose un proyecto
específico de línea de transmisión: cable, tensión y frecuencia en función de
la potencia de generación y de la distancia de la carga entre estas, buscándose
optimizar el proyecto considerando la tensión, la longitud y las pérdidas de la
línea, de forma a ter el mínimo costo en el período de vida útil de la línea.
Especificando sobre
el punto a desarrollar en esta entrada nos centraremos en la configuración de
las líneas ya que cada una de ellas está asociada a un modelo de circuito y
parámetros concentrados, o sea, se tiene un modelo para línea corta, otro para
línea media y otro para línea larga.
Líneas de
Transmisión.
Un sistema de líneas de transmisión
eléctrica consiste en un sistema de conductores que transporta la energía
eléctrica desde una central generadora hasta las estaciones de distribución
para usos residenciales e industriales. La configuración de transmisión
subterránea es ecológica, pero mucho más costosa que la aérea. Por ello, las
líneas eléctricas aéreas se utilizan con mayor frecuencia para la transmisión
de energía eléctrica en todo el mundo [1–5].
Estas líneas eléctricas, que a veces
atraviesan entornos hostiles (desiertos cálidos, cordilleras, bosques densos y
masas de agua), se instalan en torres fijas verticalmente mediante aisladores,
espaciadores y amortiguadores, entre otros [6–8].
Para una transmisión eficiente y
confiable de energía eléctrica de alto voltaje, las líneas de transmisión
requieren inspecciones rutinarias para la detección temprana de fallas y el
mantenimiento. La detección y localización de fallas en los equipos de transmisión
es crucial, ya que ayuda a las compañías de transmisión a minimizar los costos
de mantenimiento y previene cortes de energía no deseados [9,10].
Línea Corta: En este tipo de clasificación la capacitancia en las líneas
cortas es muy pequeña (efecto corona y efecto aislador), y normalmente puede ser
despreciada sin perder su precisión de cálculos. Así, solo se consideran los parámetros
longitudinales que son: La resistencia en serie “R” y la inductancia en serie “L”
para toda la longitud de la línea, conforme se ilustra en la Fig. 1. La distancia máxima para
considerar que una línea es corta según los escritos investigados ronda entre las 50 millas estas equivalentes a 80 Km, En estos casos se puede transmitir hasta 1,5 veces la
potencia nominal. Además, todo esto con la finalidad de simplificar el análisis
de líneas cortas.
Figura N° 1: Representación de una Línea corta:
Figura tomada
de: http://mdsedpotencia.blogspot.com/2016/
La capacidad de carga de las líneas
de transmisión cortas, (para líneas aéreas de 60 Hz) suele determinarse por el
límite térmico del conductor o por las capacidades nominales del equipo en los
terminales de la línea, por ejemplo, los interruptores. Y su rendimiento
dependerá de los efectos de la resistencia y la inductancia que la conforma. Como
no hay capacitancia, durante la condición sin carga, la corriente a través de
la línea se considera cero, por lo tanto, en la condición sin carga, la tensión
final de recepción es la misma que la tensión final de envío.
Figura N° 2: Diagrama Fasorial
de una Línea corta:
El análisis de líneas cortas es el proceso simplificado que debemos
realizar para comprender el comportamiento de las líneas de transmisión cortas,
permitiendo evaluar su capacidad de carga, caída de tensión y estabilidad del
sistema. Entre otras. Para comprender un poco más realizaremos un ejercicio.
Ejercicio Líneas Cortas:
A partir del uso de tablas de
conductores de líneas de trasmisión y los cálculos necesarios, se necesita
conocer: el voltaje de salida del generador (Vg), la corriente de salida del generador (Ig), la potencia aparente
que entrega el generador (Sg)
y la regulación de tensión de la línea si esta tiene una longitud de 75Km de
largo a 50°C con conductor tipo Hawk trabajando a una frecuencia de 60Hz, un espaciamiento entre ellos de 20
pies, la carga es de 20MW el F.P. es de 0.9 (-) y una tensión en la carga de
50KV en estrella, considerando el sistema trifásico equilibrado.
Solución:
1.- Determinar la longitud en millas, ya que la tabla de conductores
generalmente se consigue para ese tipo de unidad.
Calculo de longitud.
2.- Cálculos
de los valores resistivos y reactivos de la línea.
Se debe ubicar la tabla 1 de
características eléctricas para conductores de aluminio reforzados con acero
ACSR de líneas de transmisión y extraer los valores del tipo conductor del
ejercicio. En este caso es el tipo Hawk:
Como en el enunciado del ejercicio
indica que los conductores tienen una separación de 20 pies además se debe
buscar la tabla 2 y extraer el valor para dicha condición.
Tabla N°2: Valores de espaciamiento según separación
en pies para conductores de aluminio reforzados de acero (ACSR) a 60 Hz.
Tomadas de: https://es.scribd.com/document/435829791/tabla-de-conductores
Tomadas de: https://es.scribd.com/document/435829791/tabla-de-conductores
Con dichos valores:
R: 0.212 Ω/milla y XL: (0,43 Ω + 0.3635 Ω)
Entonces:
Se determinan los valores para la longitud de la line del ejercicio para
este caso 75 Km
R = 46.61 millas x 0.2120 Ω = 9.88 Ω
XL = 46.61 millas x (0.43 Ω+0.3635 Ω) = 36.99 Ω
.˙. =› Z= 9.88+J36.99 Ω llevando a
polar: 38.3 ے75° Ω
Como se puede ver en la figura al
despreciar el efecto capacitivo el circuito queda en serie, por lo tanto, las
corrientes del generador, la línea y la carga son iguales. Es decir: Ig
= IL e = Ic
Así obtenemos el módulo de la
corriente y el ángulo lo tenemos del factor de potencia. F.P. 0.9 (-) en atraso,
quedaría expresada la corriente de la siguiente manera:
IC= 256.6 ے-25.84° A
4.- Determinar los voltajes:
a) Voltaje de fase
1:
Así obtenemos el módulo del voltaje y su ángulo lo tenemos al ubicarlo en
el eje de referencia 0°, quedaría expresada la tensión de la siguiente manera:
VCF1= 28867.5 ے0° V
b) Voltaje en la línea:
VL= (256.6 ے-25.84° A * 38.3 ے75° Ω) = 9827.78 ے49.16° V
c) Voltaje en el generador:
Vg = Vc + VL = 28867.5 ے0° V + 9827.78 ے49.16° V
Como se sabe este tipo de expresión matemática se
debe llevar a números rectangulares para poder sumar y luego convertir
nuevamente a polar. A realizar esos pasos quedaría así:
.˙. =› VG = 64.47 ے11.9° KV
5.- Determinar la potencia aparente que entrega el
generador.
S = 1.73 x VG x
Ig = 1.73 x 62470 V x
256,6 A = 27.8 MVA
6.- Determinar la regulación de tensión en la línea.
Al tener estos resultados podemos conocer la situación
hipotética para este ejemplo en específico sobre la regulación de tensión ya
que este se calcula para saber si la tensión eléctrica se encuentra dentro de
límites aceptables a lo largo de la línea, desde el extremo de envío hasta el
extremo receptor. Esto es crucial para asegurar el correcto funcionamiento de
los equipos y sistemas eléctricos. Con este resultado se puede decir que ese
valor está muy por encima del permitido en normas, ya que el rango debe estar
entre el 5 y el 10% según el país.
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Referencias:
[1] VN Nguyen y otros. Inspección automática de líneas
eléctricas basada en visión autónoma: una revisión del estado actual y el papel
potencial del aprendizaje profundo, Int J Electr Power Sistema de Energía
(2018)
[2] Z. Li y otros. Robot de inspección autónomo para el
mantenimiento de líneas de transmisión eléctrica mientras opera en los cables
de tierra aéreos. Sistema robótico avanzado Int J (2010)
[3] L. Matikainen y otros. Métodos de teledetección para
estudios de corredores de líneas eléctricas Sensor remoto de fotogramas ISPRS J
(2016)
[4] C. Martínez et al. El software de inspección de líneas
eléctricas (PoLIS): un sistema versátil para automatizar la inspección de
líneas eléctricas, Ing. Appl. Artif. Intell. (2018)
[5] L. Wang y otros.Una encuesta sobre robots de
inspección de aisladores para líneas de transmisión eléctrica,
[6] C. Zhou y otros. Modelado y mecanismo de la vibración
inducida por lluvia y viento en haces de conductores, Vibración de choque. (2016)
[7] A. Pagnano y otros. Guía para la inspección
automatizada de líneas eléctricas. Mantenimiento y reparación. Procedia CIRP, (2013)
[8] H. Wang y otros. Investigación de robots de
mantenimiento de líneas de transmisión eléctrica en SIACAS.
[9] X. Yue y otros. Optimización del rendimiento de un
robot de inspección móvil para líneas de transmisión eléctrica. Int J Simulat Syst
Ciencia y Tecnología. (2016)
[10]Jidai Wang y otros. Desarrollo de una estrategia de
control experto para controlar el cruce de obstáculos de un robot de inspección
de líneas de transmisión de alto voltaje.
Ramón M. Mujal Rosas. Cálculo de líneas y redes
eléctricas. EDICIONS UPC. (2002)
