Ejemplo de selección del conductor en Líneas de Transmisión
Aplicación
El material presentado es de uso exclusivo para los alumnos de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad Nacional de Ingeniería. Ingeniería. Lima – Perú. No se vende ni comercializ comercializa. a.
Juan Bauti Bautista sta R. – Profes Profesor or Princip Principal al
Bibliografía
Bibliografía
Notas previas respecto a los conductores comunes utilizados en Lineas Lin eas de Tr Trans ansmi misi sión ón en el Pe Perú rú
Conductor tipo ACSR. Este tipo consiste básicamente en hebras de conductor tipo AAC, que se ubican alrededor de un núcleo de acero galvanizado compuesto por un alambre o de una cableado helicoidal de una o varias capas de acero galvanizado. La ventaja de este disposición, es que se obtienen altas capacidades de rotura, la conductividad eléctrica de los conductores tipo ACSR no es muy buena ya que se asume que el acero no contribuye a la conducción. La relación entre las áreas transversales del aluminio y el acero, pueden ser variados con diferentes cargas de rotura, simplemente variando el área del núcleo de acero. Este tipo de conductor es ideal para líneas donde se requiere obtener una excelente relación tracción entre peso, muy adecuado donde las condiciones climáticas por las que se desarrolla la línea, impliquen grandes solicitaciones mecánicas sobre los conductores. Es posible utilizarlo en zonas con ambiente seco y no contaminado, y también en lugares no contaminados con lluvias frecuentes. En ambientes corrosivos (cerca del mar, o industrias contaminantes), es posible usar este tipo de conductores siempre que el núcleo de acero sea recubierto de una capa de grasa protectora. Sin embargo, la experiencia demuestra que muchas veces las condiciones ambientales pueden también afectar el recubrimiento de grasa, significando que la corrosión afecte finalmente al núcleo de acero, y en consecuencia, el cable comienza a cortarse. Por lo anterior, la mayoría de veces, es preferible no utilizar este tipo de conductor en ambientes agresivos o cercanos al mar como es caso de las líneas en 500 kV (Marcona–Socabaya, Trujillo– Chiclayo y Chilca – Marcona-Ocoña-Montalvo) Prof. Juan Bautista
Conductor tipo ACSR.
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Conduct or ti po ACSR.
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Conductor tipo AAAC. Una opción de combinar una alta resistencia mecánica, con una conductividad eléctrica adecuada, se puede obtener a través de los conductores tipo AAAC, los cuales están constituidos de hebras de una relación de aluminio denominado 6201-T81. Los conductores compuestos por este tipo de aleación, son tratados térmicamente; tiene una menor conductividad (52,5% IACS) que los conductores de AAC, pero una capacidad mecánica mayor que estos.
El concepto de este tipo de conductores proviene de la necesidad de disponer de un conductor apto para líneas de transmisión, con alta resistencia a la tracción, pero sin un núcleo de acero. La resistencia eléctrica DC a 20º C de los conductores de aleación de aluminio 6201-T81 es muy similar a la de los conductores tipo ACSR del mismo diámetro, con la ventaja que las aleaciones de aluminio son más resistentes a los ambientes c orros ivos que los conductores ACSR, y sin necesidad de aplicarles materiales externos tales como grasas u otros.
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Conductor ti po AAAC.
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Conductor tipo ACAR Los conductores tipo ACAR, que básicamente consisten en hebras de aluminio AAC (1350-H19) cableadas helicoidalmente sobre un núcleo compuesto por hebras de aleación de aluminio 6201T81. Es decir, en este conductor se combina conductividad de los conductores AAC, con la resistencia mecánica de los AAAC.
La excelente resistencia a la corrosión , los hace especialmente adecuados para el servicio en ambientes industriales y marítimos muy severos (en los cuales no puede esperarse el buen servicio de los conductores ACSR) ya que, siendo los materiales homogéneos, queda eliminada la posibilidad de corrosión galvánica.
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Selección del conductor del Proyecto
Se establece los criterios técnicos y económicos para la selección del conductor de fase a ser considerado en el diseño de la: Línea de transmisión en 220 kV Limacpunco – Onocora (106,3 Km).
Condiciones del clima
Durante su recorrido la línea de transmisión atraviesa las cuatro áreas de carga establecida por el CNE de acuerdo a la altitud en que se encuentre.
Se observa que el 77% del total de la línea se encuentran por encima de los 4000 msnm.
77%
Para la selección del conductor se considerará dos zonas de carga, las que tendrán como condiciones climáticas las más severas establecidas según el CNE 2011 (tabla 250-1-B). Por tanto: • para la Zona 1 se tomarán las condiciones de
carga del área 1 y • para la Zona 2 las condiciones del área 3.
SELECCIÓN DEL MATERIAL DEL CONDUCTOR
Conductores normalmente empleados: ACSR(aluminio con alma de acero), AAAC (aleación de aluminio) y ACAR (aluminio con alma de aleación de aluminio). Los conductores de aluminio puro no, debido a su poca resistencia mecánica que requiere de muchos cuidados durante su instalación.
Comparando las características de los conductores tipo AAAC y ACAR, respecto a una misma sección de conductor tipo ACSR, se tiene lo siguiente:
El ACSR es el generalmente usado en LL TT de 220 kV, que atraviesan zonas de gran altitud sobre el nivel del mar, por sus mayores ventajas técnicas y económicas; además, son los más utilizados en líneas que transportan cantidades considerables de energía, en razón a su menor costo y menores pérdidas de transmisión.
El tipo AAAC , son especialmente usados en líneas costeras o de poca presencia de hielo, donde la menor longitud de sus vanos permite el mejor aprovechamiento de su menor flecha. El tipo ACAR son especialmente usados en el caso de líneas muy cercanas al litoral marino, donde no es posible usar el aluminio y el acero de los conductores tipo ACSR, por efectos de la corrosión salina.
Antes de definir la sección óptima del conductor de fases, se determinará el material a emplear en el diseño de la línea. Para esto, se compararán los siguientes tipos de conductores: - Aluminio – Acero (ACSR) - Aleación de aluminio (AAAC)
Se descartan: - Aluminio: la naturaleza topográfica de la ruta de la línea obliga a que los conductores estén sujetos a esfuerzos mecánicos considerables; esfuerzos que el aluminio presenta limitaciones. - ACAR; al no haber contaminación ambiental la utilización de este material no representa ventaja alguna respecto a los conductores de AAAC.
Alternativas Consideradas
Por las características de la zona usualmente el conductor tipo ACSR ha sido el más empleado en este tipo de líneas, a raíz de su alta resistencia a la tracción mecánica, su muy buena relación esfuerzo/peso, su buena ampacidad y factores relacionados con la disponibilidad de los mismos.
Sin embargo, una alternativa efectiva son los conductores tipo AAAC , debido a su buena resistencia a la tracción, su buena relación esfuerzo/peso, aun cuando su resistencia eléctrica sea en aproximadamente 10% mayor que la del aluminio.
La línea en 220 kV Limacpunco – Onocora recorre altitudes entre 1560 y 5260 msnm, recorriendo las cuatro zonas establecidas por el CNE 2011 (Tabla 250-1-B), se seleccionará preliminarmente conductores de sección normalmente utilizadas en nuestro medio para las dos zonas de carga establecidas.
msnm del Proyecto
msnm del Proyecto
Realizaremos comparación entre el conductor de tipo ACSR y el AAAC de sección similar, frente a las condiciones climáticas según las zonas de carga.
Conductores ACSR para análisis
Conductores AAAC (equivalentes al ACSR) para análisis
Capacidad Mecánica
La condición mecánica más severa corresponde a al hielo, ya que los conductores, en los extremos de los vanos, son sometidos al mayor esfuerzo mecánico; y, estas condiciones se presentan principalmente en la zona 2 (aéreas 2 y 3), que además es las más representativas en el trazo de la línea de trasmisión, más del 70% del total de la longitud.
Para este análisis se toman las condiciones más severas de la tabla 2.2 (tabla 250-1-B del CNE) según la zona de trabajo. Para la zona 1 (msnm 4000) se toman las condiciones del Área 1 y Para la zona 2 (msnm > 4000) se toman las condiciones del Área 3.
En los siguientes gráficos se muestra el comportamiento mecánico de los dos tipos de conductores de sección equivalente según la zona de trabajo y en la hipótesis más exigente.
20.5
15.3
44.0
41.0
Conclusiones msnm
4000
Se observa que el AAAC 608 mm 2 es el de mejor desempeño al tener menor flecha que el ACSR Curlew. Menor flecha asegura mayor vano y una menor cantidad de estructuras de soporte. Ambos conductores mecánicamente son aptos para vanos de gran longitud sin llegar al 60% de tiro de rotura considerado como el límite. Decisión: tipo AAAC para msnm 4000
22.5
19.0
118.0 110.0
Conclusiones msnm
4000
En esta segunda zona (> 4000 msnm) el conductor tipo ACSR Pheasant brindan mayor resistencia mecánica a la acción del hielo en la zona de altitud mayor a 4000 msnm dando vanos de mayor longitud a comparación del AAAC 700mm2,
En cuanto a la longitud de la flecha para la zona de altitud mayor a 4000 msnm el AAAC 608 mm 2 nos brinda menor longitud en comparación con el ACSR Pheasant. El valor típico del vano promedio de una línea de transmisión de 220 kV es de 500 m, pero debido a la geografía del terreno se requerirán de vanos de mayor longitud, siempre y cuando la acción del hielo no lo limite.
Observando los valores obtenidos el conductor ACSR nos brinda mayores longitudes de vanos, esto permitirá una menor cantidad de torres en la distribución en comparación si se usase el AAAC para la zona de altitud mayor a 4000 msnm. Resultado que coincide con la práctica común en nuestro medio, donde generalmente el ACSR es usado en zonas con altitudes mayores a los 4000 msnm.
Conclusión: Material Seleccionado
En razón a los resultados obtenidos, la selección del tipo de conductor a usarse queda de la siguiente manera:
Criterios de selección del calibre: msnm
Preseleccionados:
4000
Criterios de selección del calibre: msnm
Preseleccionados:
4000
La selección del conductor se realizará en base al criterio de “Mínimo Costo Total ” o “Costo Total Actualizado (CTA)”. Este criterio considera que la alternativa de sección de conductor seleccionada, debe presentar el menor valor presente de costo total que incluya costos de inversión y costos operativos del sistema de transmisión, como son las pérdidas de transmisión por efecto Joule y Corona.
Criterios de Evaluación
Para la selección económica del conductor, se consideran los siguientes criterios de evaluación económica: - El análisis económico se efectúa para 15 años y una tasa de descuento de 12%.
Las pérdidas de potencia y energía serán calculadas con los costos de potencia y energía de mayor preponderancia en la vida útil del proyecto, establecido en: • 77 US$/kW-año, precio de potencia; y • 42.5 US$/MWh, precio de energía.
- El despacho de las centrales del proyecto hidroeléctrico para evaluación será de 195 MW (200 MVA) con un factor de planta anual de 70%.
Costos de Inversión
Los costos de inversión se han obtenido de los “MODULOS DE INVERSIÓN 2012” elaborados por el OSINERGMIN para diferentes tipos de instalaciones. Se han obtenido los costos unitarios de líneas de transmisión para zona 1 (altitud hasta 4000 msnm) y zona 2 (altitud mayor a 4000 msnm), a los cuales se les ha afectado por un factor de escalamiento comercial y de actualización a mediados 2014.
Las líneas consideradas para estimar los montos de inversión, cuyos costos unitarios se muestran en el cuadro siguiente, presentan las siguientes características técnicas, similares a las consideradas en el presente proyecto: - Líneas aéreas 220 kV, circuito de doble terna, en zonas 1 y 2; - Un conductor por fase, del tipo ACSR (Zona 2) y AAAC (Zona 1) ;
- Dos cables de guarda, uno de acero galvanizado del tipo EHS, y el otro de fibra óptica del tipo OPGW; - Estructuras metálicas de acero galvanizado; y - Aisladores del tipo disco estándar, de porcelana o vidrio templado.
Cálculo del CTA (Costo Total Actualizado o mínimo costo) msnm
4000
Cálculo del CTA msnm
4000
Sección Seleccionada
En ambas zonas, se aprecia que alternativas con secciones cercanas a la de menor CTA, difieren muy poco de esta, pudiendo ser consideradas también como soluciones económicas; más aún, se tienen alternativas con secciones menores a la óptima, ya que representan una menor inversión inicial.
Si se representan los CTA calculados de todas las secciones evaluadas, respecto de la alternativa con el menor CTA, se obtendrán las siguientes gráficas.
659,4
726,8
Considerando los errores en este tipo de cálculos, una tolerancia de ± 2.0% se considera aceptable para seleccionar la sección óptima del conductor.
Para la Zona 1, cuya sección económica
corresponde al conductor de 659.4 mm2 – AAAC 1300MCM (1.000), se tiene un rango de otras secciones comprendidas dentro de la tolerancia de ± 2.0%, que son, del 608 mm2 – AAAC 1200MCM (1.010) hasta el 765.4 mm 2 – AAAC 1500 MCM (1.001). Se selecciona entonces el AAAC 1200MCM por tener una menor inversión inicial, y ser la sección comúnmente usada en líneas de 220 kV ubicada en la Zona 1.
Igualmente, para la Zona 2, cuya sección económica corresponde al conductor de 726.8 mm2 – PHEASANT (1.000), se tiene un rango de otras secciones comprendidas entre el conductor de 636.6 mm2 - FINCH (1.088) hasta el de 818.7 mm2 - PLOVER (1.0164). En este caso, se selecciona el PHEASANT dado por el menor CTA y también por ser la sección comúnmente usada en líneas de 220 kV ubicada en la Zona 2.
Conclusión final
Los conductores seleccionados: AAAC 608 mm2 y ACSR Pheasant , cumplen
además con los siguientes requerimientos técnicos mínimos: - Ampacity (capacidad térmica). - Porcentaje de pérdidas de potencia. - Gradiente superficial máximo por debajo del gradiente crítico corona.
Conclusión final…
- Efecto corona, radio interferencia y Ruido audible. - Intensidad de Campo Eléctrico: - Intensidad de Campo Magnético. Por lo cual se puede concluir que los conductores seleccionados son válidos y que los resultados obtenidos son confiables.
