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S�ntesis sobre Par�metros de l�neas de Transmisi�n El�ctrica

Luis Rafael Montes Robledo

Inel 4103 secci�n 081

Dr. Alberto R. Ram�rez Orqu�n

En el mundo actual el uso de la energ�a el�ctrica es la base de desarrollo y funcionamiento para cada pa�s. Teniendo en cuenta lo siguiente es fundamental conocer los factores que afectan el desempe�o adecuado del sistema de generaci�n, distribuci�n y transmisi�n. Entre los mas importantes tenemos: factores de costo que incluyen, costos de paso de servidumbre, costos de instalaci�n que incluyen materiales y labor, mantenimiento y costos por ciclo de vida. Adem�s tenemos los factores de dise�o los cuales incluimos, separaci�n el�ctrica, desempe�o en caso de rel�mpagos, conexi�n a tierra (grounding) y desempe�o estructural basado en cargas clim�ticas como lo son el hielo y el viento, estos �ltimos determinados por la regi�n en la que se localiza el sistema. Entre otros podemos incluir como, el impacto visual, el consumo de tierras y las leyes de zonificaci�n de la regi�n envuelta, impacto ambiental entre uno de estos, campos electromagn�ticos que puedan causar interferencia en sistemas de comunicaci�n.

El sistema de transmisi�n esta compuesto de conductores por los cuales se env�a la energ�a el�ctrica agrandes distancias para luego hacerla accesible a los clientes, esto es posible gracias a las l�neas de distribuci�n y las estructuras de soporte de los conductores, que por lo general son de acero, cemento reforzado, aluminio y madera.

Dise�o de Estructuras de Soporte

En la selecci�n del dise�o de las estructuras de transmisi�n (torres de transmisi�n) se toman en cuenta muchas variables, estas determinadas por la localizaci�n, uso y potencia transmitida a trav�s de los conductores. Pero unos de los problemas que mas influye en el dise�o, es el (Electric Magnetic Field) campo electromagn�tico y que impacto tiene este sobre el ambiente.

Torre auto sostenible de acero entrelazado (Self-Supporting Lattice)

Esta estructura es una de las mas tradicionales que combina resistencia y un amplio ciclo de vida, son eficientes en el uso del material empleado en su construcci�n, son livianas y pueden ser colocadas en posici�n sin necesidad de equipo pesado. Estas torres no son del agrado del publico puesto que son muy desagradables a la vista (son consideradas feas), por eso en zonas urbanas se trata de no utilizar mucho, adem�s poseen una servidumbre de paso mayor que otro tipo de estructuras. Sin embargo son ampliamente utilizadas en lugares que poseen condiciones clim�ticas extremas donde se necesitan torres fuertes y que lleven una gran cantidad de conductores de alta tensi�n. Son utilizadas para cruzar grandes r�os por poseer gran resistencia.

Estas pueden ser modificadas (upgrade) o recalculadas en caso de que se requiera incrementar el voltaje especifico o grosor del conductores a usarse, esto hace que el costo de la torre sea menor pues no se tiene que haces un reemplazo total si no una sola parte de ella. Dentro de esta estructuras tambi�n se encuentra la sostenida por cables de acero, Figura 1 (lattice guyed-V horizontal structure) esta es mas alta en un 20 a 30 % que la auto sostenible normal. Esta es usada en lugares

donde no se cultive puesto que los cables de retenci�n consumen un �rea de servidumbre de paso mayor que la misma torre autosostenible regular.

Modificaci�n en los aislamientos de pol�mero y cer�mica de la l�nea

Figura 1 L�nea de alta tensi�n del interior, 3 conductores y 2 de protecci�n. Orocovis, Puerto Rico

Torres de transmisi�n con aislamiento de suspensi�n convencional pueden operar a mayor tensi�n si uno de los brazos de la torre es removido y reemplazado por un ensamblaje de aislamiento horizontal en forma de V. Este procedimiento fue utilizado por Baltimore Gas and Electric Co. en una modificaci�n que hizo a la l�nea Northen Ring que tenia una tensi�n de 115 kV a 230kV. Esta forma V le da estabilidad y reduce en forma casi nula la probabilidad que el conductor de alta tensi�n haga contacto tierra tocando la torre, este ajuste se puede ver en la Figura 2.

Postes de Acero Forma Tubular (Push Tubular Steel)

Fueron introducidos por primera ves en 1970 en las zonas urbanas densamente pobladas en sustituci�n de las auto sostenibles de acero entrelazado, esto as� por la presi�n de los residentes y por su apariencia que suele ser mas agradable a la vista. Posee bajos costos de dise�o y puede ser construida seg�n las exigencias del comprador, tienden a ser altas pues tienen que distribuir los conductores hacia arriba adem�s de ser de un solo poste contrario a las de doble poste como las de madera en forma de H, por esto mismo consume un ancho menor en servidumbre de paso. Tambi�n hay una variaci�n en el tiempo de dise�o, pues para una torre de acero tubular se consume un promedio de 10 horas y para una auto sostenible de acero entrelazado el promedio es de 1000 horas.

Cimientos

Esto dependen grandemente de la composici�n y tipo de suelo y que papel va a desempe�ar la torre. Teniendo en cuenta lo anterior podemos mencionar la de empotrado directo, la cual se entierra la torre directamente en el suelo esto si las condiciones del terreno son ideales, las de cimientos en cemento reforzado con tornillos que son utilizadas cuando la torre va a tener cargas excesivas o un grado de soporte en una direcci�n especifica, y cimiento de anclaje en forma de campana. Estas formas de anclaje normalmente se utilizan en torres tubulares de acero pero puede ser aplicado a otras estructuras.

Postes de Madera Otra Alternativa

Figure 3 Torre de Madera forma de H, 7 conductores de transmisi�n y 2 de protecci�n. L�nea del interior, Orocovis Puerto Rico

Los poste de madera son utilizados en lugares agr�colas donde no se quiere un impacto visual grande adem�s de ser menos costosos al inicio del proyecto y en su mantenimiento. Tiene un ciclo de vida largo, estos pueden llegar a durar mas de 50 a�os bajo condiciones clim�ticas normales, como se puede observar en la figura 3 esta torre posee 40 a�os aproximadamente. Las inspecciones de este tipo de torres comienzan luego de haber cumplido 20 a�os y de ah� en adelante cada 10 a�os, es en este momento que se considera en realizar reemplazo a las partes deterioradas. Esta estructuras son f�cil de colocar y las personas de mantenimiento puede subir a ellas sin la necesidad de equipo pesado. Las desventajas que posee, es que son utilizadas como casa para los p�jaros carpinteros y la oferta de compra de los postes

est� determinada por la cantidad de �rboles disponibles en los bosques.

Postes de Concreto Alta resistencia al Ambiente

El concreto como estructura de transmisi�n es econ�mica estos deben de soportar l�neas 69 a 230 kV sobre 85 pies de altura el cual es dif�cil de lograr con postes de madera. Tienen un promedio de vida aproximadamente de 60 a�os. En Estados Unidos son utilizados en lugares pantanosos puesto que en estos lugares no se puede utilizar equipo pesado. La �nica desventaja que poseen, es que pesan mucho y tiende a ser dif�cil su transportaci�n.

L�neas de Transmisi�n, Consideraciones de Dise�o

Las l�neas de transmisi�n est�n compuestas de conductores, aislamiento, torres de soporte que fueron anteriormente analizadas y en muchos caso cables de protecci�n.

Conductores

Los conductores nos permiten transmitir energ�a a trav�s de grandes distancias teniendo en cuenta las limitaciones f�sicas. Estas est�n determinadas por el material del conductor, el grosor y la tensi�n a la que es sometida la l�nea. Anteriormente el cobre era el material primordial para la construcci�n de las l�neas pero luego fue sustituido por el aluminio que es mucho mas econ�mico y abundante en el planeta. Claramente se necesita tener un �rea seccional mas grande en el aluminio para obtener las mismas perdidas que en el cobre. Uno de los conductores mas comunes es el de aluminio reforzado con acero ( ACSR), el cual consiste de capas de alambres de aluminio que cubren un n�cleo central de acero, por tal raz�n este tipo de conductores son mas f�ciles de manejar por ser flexibles que los conductores s�lidos. Otros tipos de conductores incluyen los de aluminio completo (AAC), conductor de aleaci�n de aluminio completo (AAAC), conductor de aleaci�n de aluminio reforzado(ACSR), y la de acero revestido por varillas de aluminio (Alumoweld) que es tambi�n conocida como (ACSR). Para l�neas que poseen alto voltaje extremo pueden usar mas de un conductor por fase a esto se le conoce como paquete de conductores (bundle). Por ejemplo una l�nea de 765 kV posee 4condutores por fase y una l�nea de doble circuito de 345kV puede poseer dos por cada fase. El manojo de conductores posee una intensidad de campo el�ctrico menor en la superficie de conductor y reduce las perdidas por coronas el�ctricas. Estas variaci�n en el campo el�ctrico y magn�tico puede ser modificado por la separaci�n de los conductores y variando su grosor.

Aislamiento

El aislamiento es un o de los componentes mas importantes que por lo general son tipo suspensi�n los cuales consisten de discos t�picamente de porcelana. El disco est�ndar posee un di�metro de 10 pulgadas (0.254m), 5 � pulgadas (0.146 m) de espacio entre los centros adyacentes de los conductores envueltos y debe aguantar fuerza mec�nica de 7500 Kg. Por ejemplo una l�nea de 765 kV tiene una secci�n de aislamiento por cada fase, el numero de discos para el aislamiento de la l�nea depender� de cuanto voltaje tenga el conductor. Otros tipos de discos pueden ser mas grandes con una resistencia mayor a fuerzas mec�nicas extremas.

Cables de Protecci�n

Esto se encuentra sobre los conductores de fase para as� protegerlos de ca�da de rel�mpagos y estos puedan afectar el funcionamiento del sistema. Esta l�neas son generalmente construidas de acero extra fuerte o ACSR con una secci�n de �rea menor que los cables utilizados para cada fase.

Factores el�ctricos

Los dise�os el�ctricos nos especifican el tipo, tama�o y numero de paquete de cables por fase. Los conductores de fase son seleccionados para que tengan suficiente capacidad t�rmica, y se mantengan en funcionamiento en caso de una sobrecarga y en condiciones de corrientes de corto circuito. Nosotros sabemos que cada material posee una resistencia caracter�stica que esta relacionada con la resistividad de cada material, con el largo de la l�nea y la secci�n de �rea del conductor. Por consiguiente en caso de aumento de temperatura en una l�nea el�ctrica comienza un aumento en resistencia al flujo de corriente aumentando as� la probabilidad de falla en la l�nea y en caso de una sobre carga seria la posibilidad del colapso del sistema. La resistencia de un conductor fabricado

por capas de alambres de aluminio con corriente alterna se debe a los siguientes factores: temperatura, torcimiento de los alambres en forma de espiral, frecuencia (skin effect) y la magnitud de la corriente. La separaci�n en las l�neas, el tipo de conductor y el grosor tambi�n determinan la admitancia en paralelo, primariamente capacitiva tiene efecto en la corriente de carga de la l�nea, la

cual introduce potencia reactiva, esta puede ser reducida con inductores en serie.

Teniendo en cuenta todos estos factores y variantes se podr� construir un sistema el�ctrico fiable y robusto. Que se mantenga en funcionamiento la mayor parte del tiempo y que no se desestabilice en caso de sobrecargas y de ca�das de rel�mpagos, adem�s de poder manejar las harm�nicas producidas por los equipos el�ctricos conectados a la red.

Figura 5 Variaci�n esquem�tica de la resistividad de un metal con temperatura absoluta.

Referencia

J. Duncan Glover, Malakulta S. Sarma. 2002. Power System, Analysis and Design, Transmission Line Parameter, 130- 152

J. Duncan Glover, Malakutla S. Sarma. 2002. Power System, Analysis and Design, Line Upgrade To Use Porcelain And Polymer Insulator, Figure 5, 134

William F. Smith, 1999, Materials Science and Engineering, Electrical Receptivity of Metal, 192

Syed A. Nasar, 1990, Electric Power Systems, Transmission Line Parameter, 26-37

Figura 2

Figura 4 El efecto de la temperatura en la resistividad el�ctrica de metales seleccionados.

Figura 6 Estructura Tubular de Acero, Ponce, PR

Figura 7 Estructura de Acero Entrelazado, Mayaguez, PR