Lineas de transmisión

U.T.O. – F.N.I. - LINEAS DE TRANSMISION Ing. Gustavo Adolfo Nava Bustillo

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CAPITULO 7

CÁLCULO ELÉCTRICO DE LAS LINEAS DE TRANSMISIÓN

7.1. EFECTO CORONA. Si los conductores de una línea de transmisión se someten a un voltaje creciente, hasta que el gradiente de potencial (campo eléctrico) en la superficie del conductor llegue a un valor mayor que la rigidez dieléctrica del aire (gradiente disruptivo del aire), entonces se producen pérdidas de energía debido a la corriente que se forma a través del medio, es decir se ioniza el aire que rodea al conductor. Es decir, que todo sucede como si el aire se hiciera conductor, dando lugar a una corriente de fuga. En los conductores aéreos, el efecto es visible en la oscuridad, pudiéndose apreciar cómo quedan envueltos por un halo luminoso, azulado, de sección transversal circular, es decir, en forma de corona, por lo que al fenómeno se le dio el nombre de efecto corona.

En las líneas de transmisión, el efecto corona origina pérdidas de energía y, si alcanza ciertos valores, puede producir corrosiones en los conductores a causa del ácido que se forma.

Este efecto, depende de varios factores como: El nivel de tensión

El diámetro del conductor Temperatura del medio ambiente Densidad relativa del aire Humedad del aire

El efecto corona tiene las siguientes consecuencias: 1) Pérdidas de energía que se manifiestan en forma de calor 2) Oscilaciones electromagnéticas de alta frecuencia que se transmiten en toda

la línea y provocan perturbaciones en las señales de radio y televisión La consecuencia práctica del Efecto Corona es una corriente de fuga análoga a la debida a la conductancia del aislamiento

La tensión a la cual empiezan las pérdidas a través del aire se llama Tensión Crítica Disruptiva y para ella el fenómeno aún no es visible. Cuando se alcanza la Tensión Crítica Visual, los efluvios se hacen luminosos o sea:

Tensión Crítica Disruptiva < Tensión Crítica Visual


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Las pérdidas empiezan a producirse desde el momento en que la tensión de la línea se hace mayor que la tensión crítica disruptiva. Algunos fenómenos atmosféricos modifican la tensión disruptiva, por ejemplo la niebla y el granizo rebajan el valor de dicha tensión y lo mismo sucede con los humos de las fábricas. Es beneficioso que la tensión crítica Vc sea ligeramente menor que la tensión de funcionamiento normal de la línea, ya que en caso de sobretensiones el efecto corona hace el papel de autoválvula de descarga

7.2. TENSIÓN CRÍTICA DISRUPTIVA. De acuerdo a la fórmula de Peek

)kV(

RMGDMGlnnRMGmm,U tcC 121

Donde UC = Tensión eficaz simple (fase-neutro) de la tensión crítica disruptiva (kV) 21,1 = 29,8/√2 =Valor eficaz de la rigidez dieléctrica del aire (kV/cm) 29,8 = Rigidez dieléctrica del aire a 25 ºC y 760 mm de Hg. Como se trata de corriente alterna (sinusoidal) se divide entre √2

δ = Densidad relativa del aire = tb273

9263,

b = Presión barométrica (cm de Hg);

1833676 yb )log()log(

1833676 y)( l o g (logantib

y = Altura sobre el nivel del mar (m) t = Temperatura (º C) mC = Coeficiente de irregularidad (de rugosidad) de la superficie del conductor

Fuente: Líneas de transporte de energía- Checa mt = Coeficiente relativo al tiempo

mt = 1 con tiempo seco mt = 0,8 con tiempo lluvioso

n = número de conductores del haz de cada fase r = Radio del conductor (cm) DMG = Distancia media geométrica (cm)

RMG = Radio ficticio (cm) n nRrnRMG 1 ..

mc TIPO DE CONDUCTOR

1 Hilos de superficie lisa 0,93 – 0,98 Hilos oxidados y rugosos 0,83 – 0,87 Para cables


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Fases simples: n = 1 ; rRMG Fases dúplex: n = 2 ; .rRMG

Fases tríplex: n = 3 ; 3 2 .rRMG

Fases cuádruplex: n = 4 ; 4 32 ..rRMG

= separación entre los centros de los conductores (ver inciso 6.2.4) El coeficiente de seguridad por corona se define como la relación entre el voltaje crítico disruptivo por el voltaje al neutro de operación e la línea:

UUC

7.3. TENSIÓN CRÍTICA VISUAL.

RMGDMGnrmm

rU sfv ln....,., 3 230101121

Donde mf = Coeficiente que toma en cuenta la forma de la sección del cable ms = Coeficiente que toma en cuenta el estado de la superficie

Fuente:Redes Eléctricas(T-1) - J.Viqueira

7.4. PÉRDIDAS POR EFECTO CORONA.

Las pérdidas en una línea se originan si el voltaje de servicio es superior a la tensión crítica y aumentan rápidamente con la diferencia entre ambas.

Las pérdidas, expresadas en kW/km-fase, pueden calcularse mediante la fórmula también debida a Peek:

mf CONDUCTOR 1 Para una superficie perfectamente circular

0,85 Para un cable con 6 hilos en la capa exterior 0,90 Para un cable con 12 a 30 hilos en la capa

exterior ms CONDUCTOR

0,90 Para cables limpios o envejecidos 0,80 Para cables nuevos 0,70 Para cables sucios o engrasados

0,50 a 0,30 Para cables recubiertos de gotas de agua


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Con buen tiempo: )/(.. fasekmkWUUDMG

rfP CCK 52 1025241

Con mal tiempo: )/(., fasekmkWUUDMG

rfP CCK 52 108025241

Donde U es la tensión simple (tensión fase-tierra) de la línea en kV En Bolivia la frecuencia es de 50 Hz, entonces las expresiones quedan:

Con buen tiempo: )/(, fasekmkWUUDMG

rP CCK 218070

Con mal tiempo: )/(,, fasekmkWUUDMG

rP CCK 28018070

Ejemplo: Hallar la tensión crítica disruptiva, el coeficiente de seguridad por corona y las pérdidas por efecto corona, de una línea de 95 km de longitud, voltaje de 120 kV, frecuencia 50 Hz, situada a 2800 m.s.n.m. y temperatura media de 18 ºC. La línea es un circuito trifásico simple con disposición coplanar horizontal. El conductor es ACSR Nº 266.800 MCM (Partridge)

De tablas dC = 16,28 mm; r = 8,14 mm

mmmDMG 554454458844443 ,,,,

mt = 1 (tiempo seco)

mc = 0,85 (para cables)

δ= 0,721 (b=53,47 mm Hg)

Luego:

)(,,

ln,,,, kVUC 6768148

5544814018507210121

)(, kVU 28693

120 Tensión de fase

Como U es mayor que UC entonces existirán pérdidas por efecto corona


108

El factor de seguridad por corona será: 991028696768 .,,

Las pérdidas serán:

)/(,,,,,,, fasekmkWUU

DMGrP CCK 00357067682869

5544148

72101807018070 22

Las pérdidas totales serán

)(,, kWlPP CKC 0119500357033

La energía perdida durante un año será 8913 (kWh) El voltaje crítico disruptivo con lluvia será: 68,67 x 0,80 = 54,94 (kV) Y la pérdida de potencia será:

)/(.,,,,,,,, fasekmkWUU

DMGrP CCK 97516768802869

5544148

7210180708018070 22

Las pérdidas totales serán

)(,, kWlPP CKC 956295975133

7.5. CIRCUITO EQUIVALENTE MONOFÁSICO

En un circuito eléctrico, los generadores, cualquiera sea su conexión, pueden representarse por una conexión estrella equivalente, para lo cual se puede definir una f.e.m. al neutro para cada fase. Igualmente las cargas equilibradas cualquiera sea su conexión, pueden representarse por una carga equivalente conectada en estrella. Por tanto un sistema trifásico equilibrado puede reducirse al estudio de un sistema monofásico formado por cualquiera de las fases y por un conductor neutro sin impedancia. En general cada fase de una línea de transmisión comprende resistencia efectiva y reactancia inductiva en serie y resistencia de aislamiento y reactancia capacitiva al neutro en paralelo; estos parámetros están distribuidos a lo largo de la línea


109

En las líneas de transmisión aéreas la resistencia de aislamiento generalmente se considera de valor infinito, por tanto no se la considera en los cálculos eléctricos porque no tiene mayor incidencia.

7.6. CLASIFICACIÓN DE LAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

La importancia de la corriente capacitiva de una línea de transmisión en relación con la corriente que toma la carga conectada, depende de la longitud de la línea y del voltaje de transmisión. En las líneas de no más de 80 kms de longitud y voltajes no mayores a 40 kV, la capacitancia puede generalmente despreciarse. Estas líneas de las clasifica como LINEAS CORTAS En las líneas de longitud comprendida entre 80 y 250 kms y de voltajes no mayores a 220 kV aproximadamente, la capacitancia puede considerarse concentrada en uno o dos puntos de la línea. Estas líneas se las clasifica como LINEAS MEDIAS. En las líneas de más de 250 kms y voltajes mayores a 220 kV, es necesario considerar las constantes distribuidas a lo largo de la línea. Estas líneas están clasificadas como LINEAS LARGAS Esta clasificación simplemente nos permite tener un elemento de juicio para poder modelar a una línea de transmisión.

7.7. LINEAS DE TRANSMISIÓN CORTAS

Suponiendo una línea de transmisión trifásica simétrica en la que se desprecia la capacitancia.


110

Cada fase puede resolverse independientemente y la simetría de la red hace que las magnitudes de todos los voltajes y corrientes sean iguales a todas las fases. El circuito trifásico equilibrado puede representarse mediante un circuito monofásico de fase a neutro.

VG = Voltaje de fase en el extremo generador (al inicio de la línea) VR = Voltaje de fase en el extremo receptor (al final de la línea) IG = Corriente de línea en el extremo generador IR = Corriente de línea en el extremo receptor En este caso IG = IR La tensión en el extremo transmisor será:

ZIVV RRG

Donde: LXjRZ Luego:

RLRRG IjXIRVV


111

Problema: Una línea de 30 kms alimenta a 24.900 V a una carga balanceada de 1200 kW. Encontrar el voltaje en el extremo emisor cuando el factor de potencia es de a) 0,8 (-) b) 1,0 . La línea trifásica de 50 Hz de un solo circuito está formado por conductores ACSR Nº 2/0 AWG, dispuestos en un triángulo equilátero de 1,20 m entre centros.

7.8. LINEAS DE TRANSMISIÓN MEDIAS

En los cálculos de Líneas Medias, por lo general se incluye en el análisis la capacitancia pura al neutro. Se tiene una buena aproximación si se representa la línea mediante un circuito equivalente monofásico en el que la capacitancia al neutro de una fase se considera concentrada en uno o dos puntos. Si la capacitancia se supone concentrada en el punto medio del circuito que representa a la línea se dice que es un circuito T nominal Si se supone que la capacitancia está dividida en dos partes iguales en los extremos de la línea se dice que el circuito es π nominal

IR

VR

VG

R.IR

jXL IR


112

CIRCUITO “T” NOMINAL

LCK: CRG III pero YVI CC ; RRC IZVV2

YIZYVIYIZVII RRRRRRG 22

YZIYVI RRG 21

LVK: 22ZIZIVV GRRG

221

2ZYZIYVZIVV RRRRG

4222

2YZIZIZYVZIVV RRRRRG

421

2YZZIYZVV RRG

VG

R/2 + j XL/2 = Z/2

-jXC = 1/Y

IG

IC

IR

VR ZR

CIRCUITO “T” NOMINAL

R/2 + j XL/2 = Z/2


113

CIRCUITO “π” NOMINAL

LVK: ZIVV SRG pero 2YVIIII RRCRS "

ZYVIVV RRRG

2

ZIYZVV RRG

21

LCK: SCG III ' pero 2YVI GC '

222

122

YVIYZIYZVYVIYVI RRRRRRGG

21

4

2 ZYIZYYVI RRG

Donde RR

R VPI

cos3

7.9. LINEAS DE TRANSMISIÓN LARGAS Para una mejor representación de una línea de transmisión larga, se debe considerar la longitud incremental de la línea y tomar en cuenta el efecto exacto de la capacitancia distribuida y su relación con la impedancia de la línea.

VG

-j2XC = 2/Y

IG

I’C

IR

VR ZR

CIRCUITO “π” NOMINAL

R + j XL = Z

I” C

IS

-j2XC = 2/Y


114

Para mayor exactitud, se debe tomar teóricamente un número infinito de segmentos de línea para lo cual se requiere de una solución de ecuaciones diferenciales. Una representación infinitesimal de una sección de una línea de transmisión es:

r = Resistencia efectiva por unidad de longitud (Ω/km) xL = Reactancia inductiva por unidad de longitud (Ω/km) z = r + j xL = Impedancia en serie por unidad de longitud (Ω/km) ra = Resistencia de aislamiento por unidad de longitud (Ω-km) xC = Reactancia capacitiva por unidad de longitud (Ω-km) zC = 1/y = Impedancia en paralelo por unidad de longitud (Ω-km) y = Admitancia en paralelo por unidad de longitud (S/km) dl = Longitud del tramo diferencial de línea z dl = Impedancia en serie del tramo de línea de longitud dl (Ω) y dl = Admitancia en paralelo del tramo de línea de longitud dl (S)

+

-

I + d I I z dl

dI

y dl

dV

V - dV

+ +

V

-

-

dI

r dl j xL dl

I

V ra/dl -j xc/dl

dV

I + dI


115

Del circuito:

)(

)(

Bydlddlyd

Azdlddlzd

VIVI

IVIV

Derivando (A) y (B) respecto a l

)(

)(

Dydld

dld

Czdld

dld

VI

IV

2

2

2

2

Sustituyendo (B) en (C) y (A) en (D)

)(

)(

Fyzdld

Eyzdld

II

VV

2

2

2

2

Ec. Diferenciales lineales homogéneas

De la ecuación (E) se nota que la derivada segunda de la función V es igual a la misma función multiplicada por una constante (zy), y la función que tiene esa propiedad es la exponencial

mlekV donde k y m son constantes Entonces

VV

VV

222

2memk

dld

memkdld

ml

ml

Sustituyendo en (E) yzm VV 2 de donde yzm Entonces

)G(ekek lzylzy 21V Según las relaciones de Euler

xsenhee

xee

xx

xx

2

2cosh


116

Sumando xsenhxe x cosh Restando xsenhxe x cosh Sustituyendo en la ecuación (G) lzysenhlzyklzysenhlzyk coshcosh 21V Ordenando y factorizando )()(cosh)( Hlzysenhkklzykk 2121 V Derivando respecto a l

lzyzykklzysenhzykkdld cosh)()( 2121

V

Pero de (A)

zdld IV

por tanto dld

zVI 1

lzyzykklzysenhzykkz

cosh21211

I

)(cosh Jlzyzykklzysenh

zykk

2121I

Las constantes k1 y k2 se pueden obtener con las siguientes condiciones: Si l = 0 entonces I = IR y senh(0) = 0 V = VR cosh(0) = 1 Sustituyendo en (H) y (J) 21 kkR V

zykkR )( 21 I es decir

yzkk RI )( 21

Sustituyendo a su vez en las ecuaciones (H) y (J)


117

lzylzysenhzy

lzysenhyzlzy

RR

RR

cosh

cosh

IVI

IVV

(M)

Estas ecuaciones nos permiten obtener el voltaje y la corriente en un punto cualquiera de la línea a una distancia l del extremo receptor.

Si l = L = Longitud total de la línea V = VG I = IG Además Z = z L = Impedancia total de la línea en serie Y = y L = Admitancia total de la línea en paralelo

YZLyLzLyzLyz ....... 2

YZ

LyLz

yz

..

El término ZY se llama Constante de Propagación (es adimensional y en general un número complejo)

j α = Constante de atenuación β = Constante de fase

α afecta únicamente a la magnitud del voltaje y de la corriente β produce una variación del ángulo de fase

Por otro lado el término CZYZ

se llama Impedancia Característica o Natural

de la línea. La Impedancia característica es la relación entre el voltaje y corriente en


118

todos los puntos de una línea de longitud infinita, relación que tiene un valor constante a lo largo de la transmisión. Cuando una línea trabaja sobre su impedancia característica, la relación entre el voltaje y la corriente es constante e igual a ZC en todos los puntos de aquella. En una línea aérea la impedancia característica toma valores alrededor de 400 Ω, y en una línea subterránea es una décima parte. Si se desprecia la resistencia en serie de la línea (lo que es cierto para líneas de alto voltaje) y se considera infinita la resistencia de aislamiento

CfLfXXj

jX

jXYZZ CL

C

LC ..

...

2

121

2

CLZC

Se llama Potencia Característica o natural de una línea PC, a la potencia que corresponde a la impedancia característica

)(MWZUP

CC

2

donde U es la tensión de servicio en el extremo receptor y medido en kV. Una línea que transmita su potencia natural, supone las condiciones óptimas de trabajo en el transporte; la línea trabajará con factor de potencia constante en todos sus puntos. Las potencias características aproximadas para distintos voltajes serían (tomando ZC = 400 Ω)

* Tensiones que no existen en Bolivia

VOLTAJE DE SERVICIO

(kV)

POTENCIA CARACTERÍSTICA

PC (MW)

6,9 10

24,9 34,5 44 69 115 230 380 400 500

0,12 0,25 1,55 2,97 4,84

11,90 33,06

132,25 361,00 * 400,00 * 625,00 *


119

Las ecuaciones (M) pueden entonces escribirse

ZYZYsenhZY

ZYsenhYZZY

RRG

RRG

cosh

cosh

IVI

IVV

(N)

Si se utiliza las relaciones de series de funciones hiperbólicas (fórmula de Mac-Laurin).

.......!!!

)(

.......!!!

)cosh(

753

6421

753

642

xxxxxsenh

xxxx

Estas series son rápidamente convergentes, por tanto se pueden tomar solo algunos términos, que según la longitud de la línea pueden ser:

LONGITUD DE LA LINEA (km)

TERMINOS DE LA SERIE

Hasta 60 Hasta 150 Hasta 400

Basta con el primero Basta con los dos primeros Basta con los tres primeros

Si se toman dos términos, se tendría:

21 ZYZY cosh

61

3

3ZYZZYZY

YZZYsenh

YZ

!

61

3

3ZYYZYZY

ZYZYsenh

ZY

!

Sustituyendo en las ecuaciones (N)

21

61

61

21

ZYZYY

ZYZZY

RRG

RRG

IVI

IVV (P)

Estas dos ecuaciones son muy parecidas a las que corresponden a los modelos “π” y “T”, que corresponden a una línea Media, y pueden ser utilizadas para líneas no muy largas


120

Si el valor real de ZY (constante de propagación) es:

Valor Real de constante de propagación

Términos a

considerar

ZYsenh

ZYcosh

Tipo de

línea Menor a 0,1 1 ZY 1 Corta

Entre 0,1 y 0,5 2 6

3ZYZY 2

1 ZY Media

Mayor a 0,5 3 1206

53ZYZYZY

242

12ZYZY

Larga

Un resumen de las expresiones que corresponden a los parámetros de un cuadripolo en los distintos modelos es:

RRG

RRGDICVIBIAVV

LINEA

PARAMETRO

CORTA

MEDIA LARGA

T PI

A 1 2

1 ZY

21 ZY

21 ZY

B Z

41 ZYZ Z

61 ZYZ

C 0 Y

41 ZYY

61 ZYY

D 1 2

1 ZY

21 ZY 2

1 ZY


121

Ejercicio Una línea de transmisión de 230 kV de un circuito trifásico de un circuito de 380 km de longitud y frecuencia de 50 Hz. Si la línea tiene los siguientes parámetros eléctricos Resistencia efectiva por fase a 50 ºC ...................... r = 0,0435 Ω/km Reactancia inductiva por fase ................................. xL = 0,435 Ω/km Reactancia capacitiva por fase …………………… xC = 0,268 MΩ-km Determinar la constante de propagación, la impedancia y potencia característica, y las ecuaciones de la línea. Solución:

)(,.,. 531638004350LrR

)(,.,. 31653804350LxX LL

)(,,

26705

380102680 6

Lx

X CC

)(º,,,, 3841216631655316 jjXR LZ

)(º,,

SjjX

jC

90101418001418026705

11 6 Y

484700241301587485303174235509010141838412166 6

,,º,,º,,ºº,,

jx

ZY

)(º,,º

º,,

7522734290101418

584121666Y

ZZC

)(,,

MWUPC

5615427342

23022

Z

Consideramos las ecuaciones (P), en las cuales hallamos sus coeficientes

21

61

61

21

ZYZYY

ZYZZY

RRG

RRG

IVI

IVV

7.10. CAIDA DE VOLTAJE Y REGULACIÓN Si VG = Voltaje de fase en el extremo transmisor (generador) VR =Voltaje de fase en el extremo receptor (carga) VR0 =Voltaje de fase en el extremo receptor en vacío (sin carga)


122

V

VVV

G

RG (%)% 100

Caída de voltaje

Cabe aclarar que la caída de voltaje se determina por la diferencia de los módulos de los voltajes de generación y recepción.

V

VVg

R

RRO (%)%Re 100

Regulación

VRO = Voltaje al final de la línea en vacío

En una línea corta, no existe el efecto capacitivo entonces VRO = VG

V

VVg

R

RG (%)%Re 100

VG

I=0 VR0

VG

I VR

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