BLINDAJE Y DESCRIPCIÓN DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN SUBTERRÁNEAS PARA SU IMPLEMENTACIÓN EN UN FUTURO

CAPITULO I: ANTECEDESNTES

I.1 INTRODUCCIÓN

La electricidad, tan necesaria e imprescindible hoy en nuestras vidas, ha recorrido un largo camino desde el principio de los tiempos, siendo muchos los hombres tales Tesla, Edison, Westinghouse y más que con su reflexión y su duro trabajo la han ido moldeando y adaptando a cada una de las necesidades de nuestra vida cotidiana y de la evolución de las sociedades.

Mediante este largo camino se ha requerido de un desarrollo de los sistemas eléctricos de potencia (SEP), y así mismo de los sistemas de transmisión de la energía eléctrica; los cuales deben estar correctamente protegidos de los contantes cambios climáticos de nuestro planeta e inclusive de los cambios mismos del sistema; por lo cual se debe de brindar una adecuada protección en los sistemas eléctricos de potencia.

Los conductores seleccionados para que la transmisión de energía eléctrica sea eficiente, deben ofrecer una buna conductividad o baja oposición a la corriente eléctrica, esta baja oposición a la corriente eléctrica también puede provocar la falla de equipos que están conectados a las Líneas de Transmisión, puesto que es fácil la conducción de flujo eléctrico, es por esta causa que se desarrollan protecciones para las líneas de transmisión o blindaje de las mismas.

El hablar de blindaje es hablar de protección y para proteger de sobretensiones las líneas de transmisión se debe de analizar la coordinación de aislamientos, las zonas de protección tanto del equipo como el personal y el blindaje de las mismas; el blindaje en una línea de transmisión abarca desde las mismas estructuras metálicas, pararrayos, apartarrayos, hilos de guarda, ángulos de blindaje, etc., los cuales son partes de las líneas de transmisión y deben estar con potencial a tierra.

Gracias al blindaje de los sistemas eléctricos de potencia se puede dar garantía de confiabilidad en el servicio puesto que el proteger adecuadamente nuestro sistema es una buena inversión a largo plazo.

Los alambres aislados se emplearon por primera vez para el telégrafo, hacia la primera mitad del siglo XIX. Los alambres aislados en la transmisión subterránea de energía se emplearon por primera ocasión en la década de los años 1880 aproximadamente, casi en forma simultánea de Edison (en EUA) y Ferranti (enLondres) para sistemas eléctricos de iluminación. Los cables rígidos estaban formados por barras de cobre aislado con envoltura de yute. La confiabilidad de estos alambres era razonable, y la mayoría de los problemas se debieron al gran número de uniones o empalmes necesarios en un sistema rígido, en el que el conductor no puede ser enrollado en un carrete.

En un proyecto subsecuente, Ferranti pensó en una nueva forma de aislamiento papel impregnado con cera Ozokerita (subproducto que se obtiene en la fabricación de velas). Con este cable nació la versión moderna de encintado de papel. El cable Ferranti de 10 kV, está formado por dos tubos concéntricos (conductores), aislados uno de otro por el papel impregnado. Los conductores eran tubos de cobre soldado de 20.7 mm y 49.5 mm de diámetro respectivamente. Para cumplir con las leyes de comunicaciones, Ferranti tuvo que cubrir el tubo exterior (funda) con capas adicionales de papel, y a colocar el cable en un tubo de hierro. En la ruta, que tenía una longitud de 7.5 millas, se colocaron 4 cables que comprendían alrededor de 7000 juntas. En un lapso de 42 años se presentaron relativamente pocas fallas en las juntas y el cable fue remplazado solo debido a la necesidad de incrementar la corriente en el circuito. A este tipo de conductor rígido siguió el rápido desarrollo de un cable flexible torcido y, para 1898, la máxima tensión en el aislamiento fue de 2.1 kV/mm (cable de una fase). Se investigaron y usaron muchos materiales aislantes, incluyendo papel, algodón, gutapercha, betún vulcanizado y hule. En Búfalo (N.Y.), en 1897, se instalaron cables de hule vulcanizado de 11 kV y en San Paul y Minneapolis cables de 25 kV en 1900. En 1895 ya se disponía de papel impregnado con aceite, secado al vacío y con aceite caliente para 10 kV (circuitos de una fase).

En un principio, en EUA con frecuencia se colocaban los cables en ductos, debido a que la legislación dominante solo permitía a las autoridades correspondientes abrir huecos en una ciudad. Las compañías eléctricas rentaron un paso a través de los ductos dispuestos.

En este caso se emplearon cables de un solo núcleo, con aislamiento de hule, debido a su mayor flexibilidad, en comparación con el tipo papel-aceite y esta influencia persiste actualmente en EUA, con el uso generalizado que se hace del aislamiento elastomérico de un solo núcleo a diferencia de Inglaterra en donde se emplean los cables papel-aceite colocados en forma directa en los huecos.

A estos voltajes más bajos se usaron cables de papel aislante (tipo solido) impregnados de aceite (masa impregnada), frecuentemente con los tres conductores contenidos en una sola funda. Los tres conductores se torcieron y aislaron en forma separada y después fueron colocados juntos en espiral.

El espacio entre y alrededor de los conductores aislados, fue empacado con papel o yute para formar una superficie circular, la que a su vez se envolvió con un aislamiento. Este cable se llama tipo ―cinturón‖ (véase figura 1) y puede tener un blindaje de alambre de acero sobre la funda, debido a que en dichos alambres sólo se inducen pequeñas corrientes de Eddy, mientras que los cables de un solo conductor pueden dar por resultado pérdidas severas y aumento en la impedancia.

Con los cables de tres núcleos, las altas tensiones eléctricas se disponen tangencialmente a la superficie del papel aislante, en cuya dirección la fuerza de insulación es más débil.

Para superar este problema, se envuelve cada núcleo en una capa conductora de papel metalizado, lo cual, desde el punto de vista eléctrico, convierte al cable en tres conductores simples, con la tensión eléctrica totalmente en dirección radial. Este tipo de cable fue introducido por Hochstadter y se conoce como tipo “H”. Conforme aumenta el voltaje del sistema a más de 33 kv, el cable tipo solido depapel-aceite aumenta su tendencia a la ruptura debido a las bolsas (pequeñas cavidades llenas de aire o gas) que se forman en el asilamiento cuando las partes constituyentes del cable se contraen y expanden a diferentes tamaños por el calor desprendido en los ciclos de carga. La tensión a través de estas bolsas es alta y da lugar a las descargas locales, produciendo el calor que carboniza el papel; al final se presenta la ruptura total.

I.2 SISTEMAS DE CABLES COVENCIONALES

Los cables de transmisión de potencia convencionales consisten de una estructura conductora rodeada por un sistema dieléctrico que sostiene la presión del dieléctrico y protege el cable del ambiente. El medio de presión es un fluido dieléctrico o de gas de nitrógeno. El material del conductor es cuerdas de cobre o aluminio, dependiendo de las condiciones económicos en el momento de fabricación. El dieléctrico es papel impregnado de aceite secado al vacío. El último es conocido, como un cable autónomo.

El cable se debe adaptar al sistema de transmisión en forma natural, y quedar sujeto a la red de energía y a los niveles de voltaje. En caso de que exista una mayor demanda de carga, para satisfacerla es posible extender una red que se encuentre a un voltaje dado, pero el final habrá un límite, ya que los niveles de corto circuito resultan más altos y debido a que, en un momento dado, la planta puede carecer de la capacidad requerida. Así es necesario introducir un nuevo voltaje con su correspondiente red traslapada a la original. Otro que provoca la introducción de voltajes más altos, es el considerable aumento en la dificultad para obtener “derechos de vía” para los circuitos. Como a mayor voltaje se puede transmitir una mayor cantidad de energía por una línea (o cable), se requiere una menor cantidad de circuitos.

En Inglaterra la mayor parte de la transmisión de voltaje se realiza a 400 kV, con algunos circuitos a 275 kV. La extensiva red de 132 kV ha sido designada como distribución en vez de transmisión, y es probable que en algunos otros países se le conozca como subtransmisión. Algunas veces se utiliza 66 kV para cables particularmente en la ciudad de Londres.

En casi toda Europa la mayor parte de la transmisión de voltaje se realiza a400/420 kV, con algunos circuitos a 225/245 kV, 145 kV y 72.5 kV. En Norteamérica la transmisión de voltaje más alta se hace a 765 kV, seguida por 500 kV, 345 kV, 230 kV y 138 kV en México el voltaje utilizado es de 115 kV. Las dificultades que surgen con los cables de masa impregnada, se resolvieron llenando el cable con aceite a baja presión. En 1926, se introdujo en Italia el cable lleno con aceite a baja presión, auto contenido (LPOF), el cual todavía se usa extensamente en la actualidad.

En el cable lleno con aceite, el hueco central se llena con aceite aislante que se mantiene bajo presión por medio de reservas que alimentan el cable a lo largo de la ruta. A medida que el cable se calienta con la carga el aceite es impulsado desde éste hasta las reservas y viceversa, impidiendo así la creación de bolsas.

En las instalaciones de gas a presión, el nitrógeno con una presión de varias atmósferas mantiene una presión constante sobre una funda interior, comprimiendo el dieléctrico, lo que también evita la formación de bolsas.

En EUA los núcleos aislados con papel/aceite se instalan en un tubo rígido que contiene aceite aislante, y con esto ya no se requiere el ducto conductor de aceite.

Figura 1.2 Perspectiva de un cable tipo tubo llenado de aceite a alta presión.

Las dificultades existentes en dicho país para mantener una zanja abierta durante el tiempo necesario para enterrar de forma directa el cable auto contenido (LPOF), han obligado a utilizar un cable tipo tubo, lleno con aceite, en el que los 3 núcleos aislados con cinta de papel se introducen en un tubo previamente enterrado, a través de los agujeros de hombre que se han abierto a intervalos a lo largo de la ruta. Después de haber colocado los núcleos, se llena el tubo con aceite aislante que se mantiene bajo una presión de 1.38 MN/m2 (200 lb/pulg2).

Figura 1.3 Sección recta de un cable tipo tubo dentro de una zanja.

Este cable se conoce como tipo tubo, lleno con aceite de alta presión (HPOF), y su uso se ha generalizado en EUA y otros países. Por lo general, el tubo se suministra en tramos de 20 m (60 ft) de longitud y se sueldan en el sitio empleando anillos de refuerzo.

Durante la instalación se debe tener gran cuidado para impedir que la humedad penetre en el tubo y, al terminar las labores del día, es necesario llevar el tubo y llenarlo con gas seco. Los carretes que contienen los conductores aislados se sellan herméticamente al salir de la fábrica. La instalación del cable tipo tubo se debe realizar en un día seco y, como las operaciones de ajuste requieren de precisión y de absoluta limpieza, se deben observar límites estrictos tanto de temperatura como de humedad.

Otro tipo de cable, cuyo uso se ha limitado a la transmisión de los voltajes más altos (138 kV), tiene un aislamiento de polietileno solido extruido.

Este tiene ventajas como ajustes más simple, fácil manejo y no requiere equipo auxiliar de costo elevado. La introducción progresiva de voltajes cada vez más altos con este aislamiento. Desafortunadamente los problemas de tipo dieléctrico han tenido el avance hacia voltajes más altos. Se ha presentado la dificultad de que la extrusión del aislamiento provoca bolsas e incrustaciones de material extraño, lo cual precipita la rotura; en la actualidad se están realizando intensivas

investigaciones para poder aumentar el voltaje que soporta este tipo de cables a 230 kV o más.

Aunque el cable de papel/aceite tipo sólido, masa impregnada (sin drenar), tiene grandes limitaciones debido a la actividad parcial de descarga (corona) en las cavidades, su uso también se ha generalizado tanto en la distribución de redes, como para conexiones subterráneas, donde los sistemas más llenados con aceite pueden ser difíciles de instalar y de operar. En la actualidad es frecuente que esos eslabones subterráneos transmitan CD, porque la actividad de corona es reducida.

CAPITULO II: PLANTIAMIENTO DEL PROBLEMA

El desarrollo de la presente investigación se está realizando como una investigación fundamentada en documentación, recopilada y seleccionada de bibliografías existentes sobre líneas de transmisión subterránea, páginas de internet, y documentos cuya información sobre el tema pudo relacionarse de una u otra forma con los contenidos a tratar.

La información recopilada, se seleccionó empleando una estructura con criterio propio de organización y definición, con ayuda de un manual de la CFE, pero literalmente factible de comprender para el usuario.

La investigación del estudio técnico de la Transmisión de Energía subterránea se lleva a cabo en diferentes partes del mundo y en algunos lugares de nuestro país, debido a que dicha Transmisión de Energía subterránea tiene más demanda en los países desarrollados de Europa, ya que en nuestro país apenas comienzan a trabajar con este tipo de transmisión ya que las líneas aéreas son más eficientes en México por su extenso territorio, pero en un futuro tendremos que utilizar este tipo de transmisión ya que será mayor la demanda del consumo de Energía Eléctrica y las redes aéreas no serán suficientes para transportar toda esa energía requerida.

Actualmente la Comisión Federal de Electricidad es una empresa del gobierno mexicano que genera, transmite, distribuye y comercializa energía eléctrica para cerca de 34.2 millones de clientes, lo que representa a más de 100 millones de habitantes, e incorpora anualmente más de un millón de clientes nuevos. La

infraestructura para generar la anergia eléctrica está compuesta por 178 centrales generadoras con una capacidad instalada de 51,571 mega watts (MW). El 23.09% de la capacidad instalada corresponde a 22 centrales construidas con capital privado por los Productores Independientes de Energía (PIE).Para producir la energía se utilizan diferentes tecnologías y fuentes de energía primaria. Tiene Centrales Termoeléctricas, Hidroeléctricas, Carboeléctricas, Geotermoeléctricas,Eolo Eléctricas y una Nucleoeléctrica. Las redes de distribución eléctrica en México se encuentran interconectadas unas con otras a lo largo de toda la república. Para conducir la electricidad desde las centrales de generación hasta el domicilio de cada uno de sus clientes, la CFE tiene más de 745 mil kilómetros de líneas de transmisión y de distribución. El suministro de energía eléctrica llega a cerca de 137 mil localidades (133,390 rurales y 3,356 urbanas) y el 96.85% de la población utiliza la electricidad.

Para ello el mayor problema que pueda surgir al pasar de los años a corto plazo, sería el incremento de la población y en base a esto sería mayor la demanda de consumo de la energía eléctrica para transportar a las nuevas comunidades que surjan con el pasar de los años, o a infrestructuras que requieran una demanda máxima de energía eléctrica. Por lo que se considera en un futuro la instalación de líneas de transmisión subterráneas, ya que las redes áreas de transmisión no serán suficientes para transportar la energía requerida y no abastecer con la demanda de consumo.

CAPUTILO III: OBJETIVO

El desarrollo de este anteproyecto de investigación tiene como objeto definir, tipificar y establecer los lineamientos y requerimientos mínimos, que deben cumplir los diseños de Líneas de Transmisión subterráneas, también con el propósito de dar a conocerla importancia de proteger una línea de transmisión mediante el blindaje de la misma, con base a métodos analíticos y normativos, para así obtener una adecuada utilización de los recursos materiales y una adecuada instalación del equipo que se requiere para el blindaje en las líneas de transmisión.

De esta manera mediante estos conocimientos se busca de manera significativa demostrar que la implementación de las Líneas de Transmisión Subterráneas son unas inversiones viables a futuro para las centrales generadoras de energía independiente y para nuestro país. Ya que así de disminuirá las

pérdidas de energía ocasionadas por radiación y la potencia a transmitir sea mayor. . En dichos casos, el objetivo es brindar el servicio con las menores perdidas posibles, y con una mejor calidad para el usuario. CAPIULO IV: FORMULACIÓN DE HIPÓTEISIS Y SUPUESTOS

Sabemos que es frecuente el caso de que una central generadora de energía eléctrica amplié su potencia instalada, con lo que las líneas existentes pueden ser no aptas para la nueva potencia que haya que transportar. Conociendo la tensión nominal, la distancia, el tipo de suelo y el número de conductores por fase, podemos determinar la potencia característica así como los demás aspectos eléctricos.

Las características eléctricas importantes en el diseño y la operación en las líneas de transmisión. De todos modos puede asegurarse que cuanto mayor sea el voltaje de transporte más conveniente será la solución de transformación. Además, para la elección correcta de un sistema, que mejor se adapte a las necesidades o mejor dicho, para elegir la distribución de conductores más óptima, es también realizar unos análisis económicos, en el cual abarquen, entre otras cosas, los tipos y características del conductor o conductores, etc.

El crecimiento de la población y así mismo el crecimiento en la demanda de energía eléctrica, han llevado a algunas centrales generadoras a ampliar su rango de potencia suministrada, traduciéndose en situaciones complicadas para algunos sistemas de transmisión. Debido a que los parámetros para las que fueron diseñadas son, en varias ocasiones, menores a las que se requieren en la nueva disposición. También llega a existir el inconveniente de que en voltajes muy elevados, las pérdidas de energía por diversos factores se incrementan, originado así, deficiencias en el suministro de electricidad, disminución de la vida útil de los conductores, entre otras. Todas estas circunstancias se reflejan en pérdidas económicas para la compañía suministradora y en la inconformidad de los usuarios para un mejor servicio.

La hipótesis o supuesto de esta investigación es el incentivar que el uso de líneas de transmisión subterránea mejora el rendimiento de las líneas disminuyendo las pérdidas ocasionadas por radiación y la potencia a transmitir puede ser mayor. Es importante elegir el mejor sistema de transmisión que se ajuste a las necesidades técnicas como económicas requeridas, ya que una mala decisión podría afectar la calidad del servicio, o la economía del usuario y de la compañía suministradora. Y el demostrar que la construcción de líneas de

transmisión subterráneas es una alternativa muy útil en los casos en que las plantas generadoras elevan su potencia instalada y las líneas actuales no son aptas para la nueva potencia que se va a transportar en años futuros con el incremento de la demanda de consumo eléctrico. En dichos casos, el objetivo es brindar el servicio con las menores perdidas posibles, y con una mejor calidad para el usuario.CAPITULO V: JUSTIFICACIÓN

Actualmente en nuestro país no hay un problema crítico sobre la energía que motive la investigación y desarrollo de nuevas formas de transmitirla en forma subterránea. En esta investigación se dan algunas de las bases que sirven para la instalación y cálculo de este tipo de líneas. Para transmitir energía eléctrica es necesario construir una línea segura y dentro de la normatividad correspondiente. La realización de esta investigación ofrece el beneficio de conocer la adecuada protección de un sistema eléctrico de potencia, en este caso la Líneas de Transmisión Subterráneas.

En México el uso de líneas subterráneas será una opción para instalar redes de transmisión eléctrica, conforme el tiempo avanza nuestro país se va desarrollando, por lo que tiende a incrementar la demanda de energía eléctrica, por el mayor número de consumidores, nuevas fábricas o industrias, escases de recursos naturales trayendo como consecuencia el utilizar nuevos conductores que a su vez traen consigo aumento de contaminación, así como desastres naturales que afectan las redes y en muchas ocasiones derriban los postes y los conductores trayendo con esto la instalación de nuevas redes en su totalidad.

Se tendrán estos problemas al usar líneas elevadas para los niveles de voltajes altos que requerirán las cargas futuras, bien puede ser que al tener limitaciones de derecho de vía para su instalación y espacios disponibles, se tengan que utilizar circuitos subterráneos.

Habrá más problemas para transmitir la energía eléctrica a través de grandes áreas urbanizadas debido a la pérdida progresiva de espacio por la expansión de las pequeñas ciudades y el crecimiento de la población, tanto para los circuitos cableados, como para otro tipo de instalación; por ejemplo de gas y agua.

Con todos estos factores es inminente que en un futuro no muy lejano la mayor demanda de energía, el crecimiento de nuestro país, la escases de hidrocarburos, el crecimiento urbano, la limitación de espacio para instalar redes aéreas y el

aumento de la contaminación den como resultado el tomar en cuenta la instalación

de redes de transmisión subterránea para el transporte de la energía eléctrica.