líneas eléctricas

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Introducción al transporte de energía eléctrica en líneas.

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MODELANDO LÍNEAS

ELECTROTECNIA APLICADA

2014

Líneas eléctricas es el conjunto de elementos (conductores, columnas, aisladores, etc.) destinado a transmitir la energía eléctrica. El objetivo de las líneas eléctricas es el de transmitir energía eléctrica a distancia, en la forma más económica posible, bajo condiciones técnicas de servicio adecuadas.

TRANSMISIÓN Y CALIDAD ELÉCTRICA

Se desea estudiar la propagación de energía electromagnética desde la generación hasta el consumidor.

Se desea que el servicio mantenga su calidad técnica a lo largo de todo su trayecto: la magnitud, frecuencia, sin armónicos y continuidad de servicio.

El objetivo de las líneas eléctricas es

el de transmitir energía eléctrica a

distancia, en la forma más

económica posible, bajo condiciones

técnicas de servicio adecuadas. Con

el menor daño al medioambiente

PARA LOGRAR ESTOS REQUERIMIENTOS TÉCNICOS

Es necesario considerar

1- La pérdida de potencia por efecto Joule no debe superar ciertos valores, (influye en el rendimiento).

2- La caída de tensión debe encontrarse dentro de ciertos límites permitidos.

3- El calentamiento de los conductores debe ser tal que no provoque modificaciones mecánicas importantes del cable.

4- Los conductores, en condiciones mecánicas extremas, deben estar sujetos a tensiones mecánicas de tracción admisibles para el material con que están construidos, a fin de garantizar la suficiente resistencia mecánica de ellos.-

5- Las inversiones de capital deben ser mínimas.

INTRODUCCIÓN

Líneas eléctricas Tipos de líneas

Líneas aéreas, utilizadas sobre todo en transporte y distribución Líneas subterráneas, utilizados sobre todo en distribución Barras rígidas desnudas sobre aisladores, utilizados en subestaciones y

centros de transformación

Elementos Conductores Aisladores Estructuras de apoyo Cable de tierra o de protección Tipo de conductor Espaciamiento entre conductores Intensidades de los conductores

La importancia de una línea se evalúa en función de

La potencia que debe transmitir.

La distancia (es decir la longitud de la línea)

Clasificación- Longitud Líneas de transporte o transmisión: son de gran longitud, transmiten potencias

considerables a tensiones elevadas, unen las Centrales con las Estaciones Transformadoras Receptoras, desde donde se distribuye la energía, generalmente previa una reducción de la tensión. en n/país 500 – 380 – 330 – 220 – 132 kV). la 132 kV, esta siendo desechada como tensión de transmisión.-

Líneas de subtransmisión, Son líneas de transmisión de menor importancia, que llevan energía eléctrica a los centros de carga, desde las grandes estaciones transformadoras o desde una central. (longitudes, potencias y tensiones medias) (en n/país 132 – 66 – 33 kV )

Líneas de distribución primaria: los Centros de Carga, como ser ciudades, centros industriales, grandes industrias, etc., se encuentran estaciones transformadoras primarias. De ellas se salen distribuidores de media tensión en 13,2 kV (o 6 kV). Estas líneas alimentan suministros rurales, (pozos de riego, por ejemplo), suministros urbanos (barrios, centros comerciales) y suministros industriales.- Luego en subestaciones transformadoras, aéreas (mono y doble poste) distribuyen a 380 V y 220 V.-

Líneas de distribución secundaria: es el conjunto de líneas aéreas y subterráneas de 380 y 220 V, también llamadas líneas de instalación, que llegan hasta los receptores o aparatos de consumo

Clasificación- caída de tensión

Alta tensión AT Media tensión MT Baja tensión BT

En las dos primeras el criterio de diseño es el de la máxima economía.

En la tercera la directriz de cálculo será la máxima caída de tensión admitida por las normas.-

Clasificación

1) Según potencia a transmitir y longitud de línea

2) Según tensión de trabajo a) AT

b) MT

c) BT

3) Según tipo de corriente a) líneas de corriente contínua

b) líneas de corriente alterna

Z

0,4 KV 13,2 KV

0,4 KV 0,4 KV

13,2 KV

0,4 KV 0,4 KV

13,2 KV

0,4 KV

330 KV

13,2 KV

0,4 KV

Generación Transmisión Distribución

TRANSMISIÓN: ALTA TENSIÓN

Líneas de transmisión

Los cables están diseñados para ser colocados bajo tierra o bajo el agua. Los conductores están aislados uno de otro y rodeado por una vaina protectora. Los cables son por lo general más caros y más difíciles de mantener. Tienen problema con la potencia máxima a transmitir - no son aptos para larga distancia

Una línea aérea de transmisión por lo general se compone de tres conductores o haces de conductores que contienen las tres fases del sistema de potencia. Los conductores son generalmente de cable de aluminio reforzado con acero (ACSR), el núcleo es de acero (por su resistencia) y alambres de aluminio (que tiene baja resistencia) envuelta alrededor del núcleo.

18

Tipo XLPE

Chaqueta

Cinta

Blindaje del conductor

Aislamiento

Blindaje del aislamiento

Pantalla Metálica (hilos de cobre)

Conductor

cable

Los conductores de aluminio se designan como:

• AAC Conductor totalmente de aluminio

• AAAC Conductor totalmente de aleación de aluminio

• ACSR Conductor de aluminio con alma de acero

• ACAR Conductor de aleación de aluminio con alma de acero

Cables unipolares

BT de aislación en

PVC

Cables con Envoltura

de Protección

Cables

Preensamblados Cables Concéntricos

Cable aislado para

Media y Alta Tensión

22

Además de los conductores de fase, en una línea de transmisión normalmente hay uno o dos alambres de acero llamados tierra (blindaje). Estos cables están conectados eléctricamente a la torre y el suelo, y, por lo tanto, están al potencial de tierra

En grandes líneas de transmisión, estos cables se encuentran por encima de los conductores de fase, protegiéndolos de los rayos.

El cálculo eléctrico de una línea consiste en calcular:

– La sección del conductor a colocar en el proyecto

– Verificación de la instalación ya construida

En el cálculo de la sección de los conductores se deben verificarse los 3 criterios si o si:

a) Calentamiento del conductor

b) Caída de tensión en el conductor

c) Capacidad del conductor para soportar la corriente de cortocircuito

CÓMO MODELO UNA LÍNEA?

SI CIRCULA CORRIENTE entonces…

Al circular corriente por un conductor aparece el fenómeno de resistencia.

Al ser un cable conozco la fórmula para determinar su valor si conozco de qué material está hecho

RESISTENCIA La resistencia en c.c de un conductor está dado por:

La resistencia en c.c. por metro de conductor es: S

lR

mSrCC

La resistividad de un conductor es una propiedad fundamental del material del cual está hecho. Varía con el tipo y la temperatura del material. A la misma temperatura, la resistividad del aluminio es mayor que la resistividad del cobre.

MATERIALES Cu o Al

Resistencia Resistencia de CA de un conductor es siempre mayor que su

resistencia de CC, debido al efecto piel forzando el flujo de

corriente más cerca de la superficie exterior del conductor. Cuanto

mayor sea la frecuencia de la corriente, el efecto de la piel más

sensible sería. A frecuencias de nuestro interés (50-60 Hz), sin

embargo, el efecto piel no es muy fuerte.

Fabricantes de cables generalmente suministran las tablas de

resistencia por unidad de longitud en las frecuencias comunes (50

Hz y 60). Por lo tanto, la resistencia se puede determinar a partir

de dichas tablas.

1212 TT1

La sección de los conductores frecuentemente se da en términos de

“circular mils”.

Un circular mil.- es el área de un círculo que tiene como diámetro una

milésima de pulgada (0,001 pulg). Un MCM.- es igual a 1000 circular

mils.

HASTA CUANDO SE PUEDE ELEVAR LA TEMPERATURA DEL CONDUCTOR

AL CIRCULAR CRRTE Y TENER RESISTENCIA SE PRESENTAN PÉRDIDAS.

Se produce calentamiento en los conductores

La corriente eléctrica origina un

Calentamiento :

Esta elevación de Temperatura ,genera en los aislantes :

* Disminución de la Resistencia de Aislación. (puede producirse una falla)

* Disminución de la Resistencia Mecánica.

R I2

Corriente Admisible para Conductores de

Cobre

SECCIÓN NOMINAL TEMPERATURA DE SERVICIO = 70°C 2

(mm) GRUPO I GRUPO II GRUPO III 1.5 15 19 23

2..5 20 25 32 • 4 25 34 42 • 6 33 44 54

10 45 61 73

16 61 82 98

GRUPO 1 :Monoconductores Tendidos al Interior de Ductos . GRUPO 2 :Multiconductores con Cubierta Común, que van al interior de Tubos Metálicos Cables Planos , Cables Portátiles o Móviles ,etc..... GRUPO 3 :Monoconductores Tendidos Sobre Aisladores

TEMPERATURA AMBIENTE = 30° C

INDUCTANCIA

CIRCULA CORRIENTE

La corriente (tanto c.c. como c.a.) produce campo magnético B, por lo tanto podemos calcular una inductancia (elemento físico asociado a la energía magnética ½ L I²)

Campos electromagnéticos Por ambos conductores

conduce CORRIENTE:

esto implica que se

genera un campo

magnético B, por lo tanto

existe flujo y se puede

encontrar un valor de

inductancia que

represente al fenómeno.

Cada conductor está

sometido en sus extremos

a una diferencia de

potencial (por eso circula

I) y a su vez tienen un

potencia con respecto a

tierra (0V), por lo que se

puede encontrar el valor

de capacidad que

represente al fenómeno

Los conductores son de metal y tienen un valor de

resistencia al paso de I.

El dieléctrico del aire y de los aisladores no son perfectos

aislantes, se producen fugas de I, esto se representa por G

2. Inductancia y reactancia inductiva

Es el parámetro mas importante de la impedancia longitudinal (serie) de la línea.

Inductancia es la relación entre el flujo magnético creado por una crrte y el valor de

dicha corriente

La inductancia tiene dos componentes: inductancias internas y externas, ocasionadas

por el flujo magnético dentro y fuera del conductor:

1. Inductancia interna del conductor:

Un conductor de radio r lleva una crrte I. A

una distancia x del centro del conductor,

se encuentra el campo magnético Hx por

la ley de Ampere:

x 0 r dx

xB

dS

I

x

xx IdlH

2

0

.x

IH x

x2

2222 x

I

r

Ix

xr

IH x 2

2 x

r

IBx 2

0

2

xdx

r

IdxBdSBd xxx 2

0

21...

)(22

22

2

0

2

0intxr

r

Ixdx

r

Ir

x

x

8)(

22

1 0

0 0

22

4

0int

2

int Idxxr

r

Ixdx

r

r r

xmedio

)(

)(

ti

tL

70

int 10.2

1

8

L

x

xx IdlH

2

0

.x

IH x

x2

)(

)(

ti

tL

0 r

I

x

dx

xB

dS

I

D1 D2

x

IBx

2

0

dxI

dxBdSBd xxx

21... 0

1

270 ln..10.21

2

2

1D

DIdx

x

ID

D

ext

x

1

27ln.10.2

D

DLext

Inductancia de una línea formada por dos conductores

r

D

r I I

Para determinar la inductancia

externa del conductor 1, debemos

evaluar la integral anterior entre

r y D, ya que más allá de D la

corriente neta es cero por lo que

no hay contribución neta al flujo

magnético que concatena al

circuito:

1 2

r

DL ext ln.10.2

7

,1

H/m

1ln.10.2

'

1ln10.2

77

1

D

rL

1ln

.

1ln10.2

1ln

1ln)ln(10.2

ln4

110.2

41

7

4

1

7

7

1

D

er

D

re

r

DL

41

.'

err

1ln.10.2

'

1ln10.2

77

2

D

rL

H/m

H/m

H/m ln.10.210.22

1 77

1r

DL

'ln.

r

D102L 7

1

'

ln.r

D102L 7

2

REACTANCIA INDUCTIVA DE LA LÍNEA

La reactancia inductiva serie de una línea de transmisión depende de la

inductancia de la línea y la frecuencia del sistema de potencia. Denotando

la inductancia por unidad de longitud como l, la reactancia inductiva por

unidad de longitud será

f es la frecuencia. Entonces l Reactancia inductiva serie total de una

línea es

donde d es la longitud de la línea.

Inductancia

Se debe calcular la caída de tensión en cada fase: – Debido a circulación de la corriente

de la propia fase.

– Debido a circulación de la corriente de las demás fases.

La constante de proporcionalidad que relaciona corriente con caída de tensión se llama “Inductancia”. – Inductancia propia.

– Inductancia mutua.

L31’

L32’

L23’

1

2

3

Hay diferencia de potencial entre cables y tierra

Aparece el efecto Corona, tiene que ver con la tensión disruptiva, con las pérdidas que se presentan en el aire.

3. CONDUCTANCIA Y EFECTO CORONA

Los altos valores de tensión originan pérdidas en las líneas: se producen pequeñas

descargas porque se rompe el dieléctrico del aire y empieza a conducir corriente.

Cómo depende de la tensión aplicada en el modelo se la tiene en cuenta como una resistencia en paralelo.

Está en paralelo a la Capacidad.

Para retrasar el efecto corona se usa los haces

4- Existe diferencia de potencial entre cables y con la tierra Aparece el efecto capacitivo, que

depende de la tensión aplicada

4. CAPACIDAD-REACTANCIA CAPACITICA

+q

r 2/ˆ

2ˆ mcr

xl

qr

s

qD

mVlx

qDE /

2

ro

P2

P1

D2

D1

+q

2

11

212 ln

2

D

D

VD

D

l

qEdxV

D

r a

ab

a

Vr

Ddx

xV ln

2

1

2

-qa

dab

+qb

hb

-qb

ha

ha

Dab

hb

a

a’

b

b’

][ln2

12ln

2

1V

d

Dq

lr

hq

lV

ab

abb

a

aaa

][lnln Vd

Dq

2

1

r

h2q

2

1v

ab

aba

b

bbb

hb Cbo

Cao

ha

dab

Cab

Capacitancia de una línea de 2 cables La tensión entre las dos líneas es

dado q1 = q2 = q,

La capacitancia por unidad de longitud entre las dos líneas

es

Capacitancia

• Cada conductor de una línea de Tx se modela como una línea de carga [C/un. long.].

• Entre conductores y tierra existe una diferencia de potencial.

1 11 1 12 1 2 13 1 3' ' ' 'q C V C V V C V V

1

q1’ 2

q2’

3

q3’

C11’

V1

C22’

V2

C33’

V3

C13’

V1-V3

C23’

V2-V3 C12’

V1-V2

V=0

1 11 12 13 1 12 2 13 3' ' ' ' ' 'q C C C V C V C V

1 12 1

1

1 1

2 21 1 2 21

1 2 1

1

' ' '

'

' ' ' '

'

' ' '

n

k n

k

n

k n

k

n nn

n n k

k

C C C

q V

q C C C V

q V

C C C

' 'q C V

La línea se modela por su circuito equivalente en términos de sus parámetros por unidad de longitud multiplicados por la longitud de la línea.

En el circuito equivalente se modelan los parámetros como elementos concentrados en un punto del circuito que representan la conductividad, la capacitancia, la inductancia y la resistencia serie.

Ls Rs G Cp

Modelando líneas

Los modelos de parámetros concentrados equivalen al modelo de red de dos puertos con parámetros de Transmisión o transmisión inversa y son válidos para casos en los que no interesa el flujo de señal a través de la línea sino los valores de entrada y salida de la misma.

00i

00i

DICVI

BIAVV

i

'

i

'

0

í

'

i

'

0

IDVCI

IBVAV

Modelo T

Se distribuye la resistencia serie y la inductancia serie en partes iguales y se concentra la capacitancia y la conductancia paralelo

Modelo Pi

Se distribuye la capacitancia y la conductancia paralelo en partes iguales y se concentra la resistencia serie y la inductancia serie.

Una línea larga formada por cuadripolos en cascadas

lsenhZIlcoshVV CRRS

lcoshIlsinhZ

VI R

C

RS

1

2 2

c

c

Z Z senh l

Y ltanh

Z

1

c

R j LZ Ohm

G j C

R j L G j Ckm

PARÁMETROS ABCD

Z

Y/2 Y/2

VS VR

IS IR

R T

R T

V VA B

I IC D

12

14

ZYA D adimensional

B Z Ohm

ZYC Y S

CÓMO MODELO UNA LÍNEA SEGÚN SU LONGITUD Y NIVEL DE TENSIÓN

Representación circuital

Como calculo una línea corta con carga

CÁLCULO DE LÍNEAS DE B.T. EN CORRIENTE ALTERNA CON CARGA UNICA

Las fórmulas a utilizar son las siguientes:

Monofásica Trifásica

En función de la

Intensidad uK

ILS

·

·cos··2

uK

ILS L

·

·cos··3

En función de la

Potencia VuK

PLS

··

··2

LVuK

PLS

··

·

Donde: S: Sección del conductor (mm2).

L: Longitud de la línea (m).

I: Intensidad eficaz del circuito monofásico (A).

IL: Intensidad eficaz de línea del circuito trifásico (A).

cos : Factor de potencia.

u: Caída de tensión en la línea (V).

V: Tensión de la línea monofásica (V).

VL: Tensión de línea trifásica (V).

K: Conductividad del conductor utilizado (m/·mm2). Para el cobre. K = 56

Para el aluminio: K = 35

Como calculo una línea de longitud media

Como calculo una línea de longitud media

Modelo de una línea corta

LÍNEA CORTA

Consideremos una línea que parte de C y de la que derivan varias cargas de intensidades I1, I2, I3, ....,In , cada una de ellas con su respectivo factor de potencia, siendo u la caída de tensión máxima admitida hasta la derivación mas alejada, In.

SISTEMA BIFILAR DE DISTRIBUCIÓN POR CC

Para S = cte , la caída de tensión es:

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