Ya seas un veterano del sector eléctrico o estés dando dando los primeros pasos en tu carrera, el transporte de la energía eléctrica es una temática cuya fundamentación teórica debe tenerse en cuenta. Es por eso que te presentamos un artículo técnico del Ingeniero Manuel Bolotinha.
1. INTRODUCCIÓN
La corriente alterna (ca) es ampliamente utilizada en la transmisión de energía eléctrica, pero hay situaciones donde esta forma se revela técnicamente y / o económicamente como poco práctica debido a la longitud de la línea (aérea, subterránea o submarina), el valor de la corriente y las tensión es utilizadas, así como la imposibilidad de conectar redes no sincronizadas ni sincronizables.
En estas condiciones se recurre al transporte de energía eléctrica en corriente continua (cc) siendo por ello necesario transformar la ca en cc y luego la cc en ca , lo que se realiza en las subestaciones eléctricas (SE) de corriente continua. Se representa en la Figura 1, de forma esquemática y simplificada esa transformación.
Figura 1 - Representación esquemática de la transformación ca / cc y cc / ca
2. LA ONDA ELECTROMAGNÉTICA
Las magnitudes eléctricas de tensión (U) y de intensidad de corriente (I) tienen la forma de una onda sinusoidal, que se caracteriza por los siguientes parámetros, que se muestran en la Figura 2 .
- Valor de pico (que representaremos con Ap) - V y A , respectivamente, para tensión y corriente,
- Valor eficaz (Af) que se relaciona con el valor de pico en la expresión Af = Ap / √2 ≈ 0,71A p .
- Período (t - s), equivalente al tiempo de un ciclo completo de la onda de oscilación.
- Frecuencia (f - Hz), que representa el número de períodos por unidad de tiempo. Estas dos cantidades están relacionadas por la expresión f = 1 / T ; los valores de la frecuencia de la red nominal es 50 Hz y 60 Hz .
- Longitud de onda (λ), que representa la distancia entre dos puntos consecutivos con el mismo valor y el mismo sentido. Se calcula mediante la expresión λ = c / f , donde c es la velocidad de la luz en el vacío (≈ 300.000 km/s).
Figura 2 - Onda electromagnética sinusoidal
Teóricamente para las líneas con una longitud L ≥ λ / 4 ( 1500 kilometros para redes con f = 50 Hz y 1250 kilómetros para redes con f = 60 Hz ), las reactancias inductiva y capacitiva ( de tierra ) distorsionan los valores de las magnitudes eléctricas , puede generar armónicos insoportables para la red y desfases entre los valores en los extremos de la línea.
En la práctica parece que estas distancias se reducen de manera significativa , ya que los reactores en cuestión varían con el tipo de línea y su proceso constructivo y de montaje .
Recordad que en el caso de las líneas aéreas, la reactancia inductiva de cada conductor está influenciada por los conductores de las otras fases y los conductores del otro circuito (en situaciones en que en un mismo apoyo de linea aerea sean instalados dos circuitos) [2], influencia que por su parte depiende tambien del tipo de configuración de la linea aerea (horizontal o vertical, etc.).
3. APLICACIÓN DE LA CORRIENTE CONTINUA EN EL TRANSPORTE DE ENERGÍA
En un capítulo anterior se analizaron las razones para el uso de transporte de energía en corriente continua , que se hace generalmente sólo en muy alta tensión (MAT).
En el caso de las líneas aéreas este proceso se utiliza tradicionalmente en las líneas con longitudes superiores a los 800 kilometros (aunque en algunas situaciones se impone el límite de 600 km para el transporte de energía en ca) y las tensiones entre el 400/500 kV y 800 kV , existiendo en China una línea de CC a 1.100 kV.
En los cables subterráneos el uso de cc es inusual, siendo utilizado para longitudes mayores de 40/50 km y tensión entre 110 kV y 220 kV.
En los cables submarinos de transmisión de energía en CC se utiliza en MAT (110 kV ≤ U ≤ 400 kV), también para longitudes de más de los 50 km.
Otra aplicación común de transmisión de potencia en cc es la interconexión de las redes con diferente frecuencia nominal (50 Hz y 60 Hz).
Además de evitar la distorsión de las ondas electromagnéticas sinusoidales, el transporte de energía en cc tiene las siguientes ventajas principales:
- La anulación de la interferencia electromagnética causada por otras líneas aéreas ca (o cc ) que están en sus proximidades.
- La mejora de la estabilidad de la red , debido a la insensibilidad a las fluctuaciones de frecuencia, sin aumentar la corriente de cortocircuito .
- El flujo de energía y la regulación de frecuencia en sistemas de ca conectados por líneas de cc es independiente a la red restante .
- La mejora en la compatibilidad electromagnética ( EMC ).
- No es necesario compensar la potencia reactiva resultante de la inductancia de líneas muy largas .
- Disminución de las pérdidas adicionales causadas por la alta capacitancia de las líneas , que es particularmente relevante en el caso de algunos de los cables submarinos .
- Menor pérdida dieléctrica .
- Disminución del efecto corona [3] en líneas aéreas con la consiguiente reducción de las pérdidas y producción de ozono asociado con el mismo.
- Eliminación del efecto pelicular [4] , lo que permite a reducir la sección de los conductores .
- Reducción del espacio necesario para la implantación de líneas aéreas , lo que reduce el impacto ambiental (en particular visual).
- Coste menor (soportes más ligeros y conductores con una sección inferior).
En cambio, las principales desventajas son:
- La necesidad de más espacio en las SE para la aplicación de convertidores ca/cc o cc/ca y el equipo asociado con ella (véase el capítulo 4).
- Coste más alto de la SE .
- Necesidad de instalar filtros de armónicos y baterías de condensadores para compensar los armónicos generados por los convertidores, evitando su inyección en la red de ca , teniendo en cuenta las disposiciones de la norma IEC [5] 61000 - Compatibilidad Electromagnética (EMC) es el normalmente bajo factor de potencia de estos convertidores .
4. SUBESTACIONES DE CORRIENTE CONTINUA
Las SE de corriente continua son generalmente del tipo AIS [6], similar a las SE de corriente alterna, disponiendo de equipos de ca y cc, incluyendo los convertidores ca/cc y/o cc/ca, los respectivos equipos de corte, protección y maniobra y los sistemas de comando, control y protección asociados con ellos, representados en la Figura 3 [7], presentando en la Figura 4 un esquema unifiliar simplificado de una SE ca/cc (o cc/ca ). Estas SE cuentan también con instalaciones sólo en ca no sólo para la conexión de líneas y otros equipos de ca, que no participan en la conversión y destinados al sistema de transmisión de energía tradicional en ca .
Figura 3 - una representación esquemática de una SE ca/cc
Figura 4 - Esquema unifilar simplificado de una SE ca/cc
Veamos ahora con más detalle la formación de un panel de conversión ca/cc (o cc/ca ).
La función de los filtros de armónicos y de las baterías de condensadores se se muestran en la Figura 5.
Figura 5 - Conjunto de filtros de armónicos y baterías de condensadores
Los transformadores convertidores, habitualmente trifásicos, están destinados a transformar el nivel de tensión de ca (por lo general ≤ 400 kV ) al nivel de tensión de cc (generalmente ≥ 500 kV ), o viceversa . Normalmente tienen 3 devanados, 2 conectados en estrella (uno de ellos conectado a la instalación ca) y 1 en triángulo (conectado al convertidor ) - véase la Figura 6.
Los equipos a instalar en el lado de ca de las SE (seccionadores, disyuntores, transformadores de medida,... ) son todos idénticos a los instalados en la SE "clásicas" ca .
En el lado de cc de una SE están instalados los descargadores de sobretensiones (DST) - Figura 6 - con el propósito de protección de la instalación contra descargas atmosféricas y como un método para facilitar la coordinación de aislamiento .
Figura 6 - Transformadores convertidores y DST
Los valores de tensión para los efectos de mando y control se obtienen de un divisor de tensión de corriente continua .
La tecnología de la corriente de cc/ca y cc/ca permite que el mismo equipo realice ambas funciones (transformación de ca/cc y transformación de cc/ca). Los convertidores (uno para cada polo - positivo y negativo) que están representados en la figura 6 están formados por tiristores semiconductores conectados en serie para evitar que con tensiones iguales o superiores a 500 kV se supere el valor de ruptura dieléctrica [8] de equipos de semiconductores .
Figura 7 - inversor de CA/CC y CC/CA Fuente: Conexiones GE Energy
Para que el equipo pueda realizar ambas inversiones, antes mencionadas, se utilizan transistores bipolares de puerta aislada (habitualmente conocidos como IGBT, las siglas inglesas para insulated-gate bipolar transistor).
El aislamiento de los circuitos de baja tensión de comando y control de los inversores de alta tensión de las líneas de transmisión se realiza por medios ópticos .
En las SE destinadas a conectar a redes adyacentes no sincronizables con diferentes frecuencias, es habitual instalar ambos convertidores ca/cc y cc/ca solamente en aquellas SE , lo que se muestra en la Figura 7. Esta solución es conocida con el título Inglés back-to-back .
Figura 8 - SE inversora back-to-back Fuente: Conexiones de GE Energy
Traduciendo esquemáticamente lo que ha sido expuesto anteriormente sobre estas SE, tenemos:
Figura 9 - Representación esquemática de una SE back-to-back
Una solución que también se utiliza para líneas bipolares, dividiendo el convertidor de cada polo (positivo y negativo) en dos unidades iguales ; en caso de fallo de una de las unidades un seccionador de bypass (véase la Figura 10) permite poner fuera de servicio la unidad averiada, manteniendo el sistema en funcionamiento con una tensión que es la mitad de la tensión nominal de la red.
Figura 10 - Seccionador de bypass
El aislamiento del conjunto cc se hace generalmente por interruptores.
La instalación ca utilizará las protecciones habituales en las SE clásicas . Los convertidores deberán estar protegidos contra sobrecorrientes y sobretensiones, mientras que en las líneas cc las protecciones utilizadas son las protecciones contra sobreintensidades, la protección diferencial de línea y la protección contra asimetrías [para detectar una eventual presencia persistente del armónico fundamental (50 Hz o 60 Hz) y el segundo armónico (100 Hz o 120 Hz) entre los terminales de cada polo).
5. LÍNEAS AÉREAS DE CORRIENTE CONTINUA
La configuración más común de las líneas aéreas de cc es instalar ambos conductores, positivo (+) y negativo (-), en el soporte (designado como configuración bipolar ), como se muestra en la Figura 11.
Figura 11 - Líneas de CC con configuración bipolar
Fuente: . Weaponofmassinstruction en Inglés Wikipedia.Photo por J. Lindsay Weaponofmassinstruction 20:39, el 23 de agosto de 2005 (UTC) - Transferido de en.wikipedia a Commons utilizando JMesserly J CommonsHelper CC BY- SA 3.0,
En líneas aéreas extremadamente largas (l ≥ 900/1000 km) la mejor solución es instalar sólo el conductor positivo en el apoyo, haciendo el retorno (negativo) por tierra, colocando, en cada SE, electrodos de tierra específicos para este fin (denominada configuración monopolar), como se muestra esquemáticamente en la Figura 12. Si esto no es posible, para implementar esta configuración se utiliza un conductor de metal tendido en el suelo .
Figura 12 - Representación esquemática de la configuración monopolar
La implementación de esta configuración debe tener en cuenta que el cambio de la tierra no se ve afectada por la puesta a tierra de componentes metálicos normalmente sin tensión, como es el caso de los apoyos de la línea aérea.
Al igual que las líneas aéreas ca, las aerolíneas cc están esencialmente constituidas por:
- Los apoyos de metal, constituídos por acero perfilado, galvanizado de inmersión en caliente, después de su fabricación [9] para formar una estructura de celosía.
- Hormigón.
- Los conductores desnudos en aluminio (designados por AAC, la sigla inglesa All Aluminium Conductors), concéntricos en aleación de aluminio (siendo la aleación Al-Mg-Si - aluminio-magnesio-silicio - la más utilizada) compuestos de una o más capas (haces) de hilo de aleación de aluminio del tipo AAAC (la abreviatura en inglés de All Aluminium Alloy Conductors), conocida como Almelec o Aldrey (que son marcas registradas de fabricantes) y correctamente denominados AL2, AL3, AL4 o AL5, cumpliendo las normas EN 50182 y 50183, que constituyen la solución más comúnmente utilizada o concéntrica en aluminio-acero, apodos de ACSR (de la sigla inglesa Aluminium Cable Steel Reinforced).
- Columnas de aisladores (constituidas por aisladores cerámicos, en resina epoxy o en vidrio, acoplables, montados de forma que permitan el acoplamiento extraíble de una serie de elementos, hasta obtener el nivel de aislamiento deseado).
El número de aisladores en cada cadena depende no sólo de la tensión de la red, sino también de la longitud mínima de la línea de fuga, para evitar la interrupción del arco eléctrico entre los conductores activos y las masas metálicas conectadas a tierra ("contorneado"), en atención a la contaminación existente en la zona, de acuerdo con lo establecido en la Norma IEC 60815.
- Conectores (pinzas de fijación y suspensión), uniones de conductores por compresión, con mango de aluminio y cuerpo en acero galvanizado forjado y sus accesorios..
- Sistema de protección contra descargas atmosféricas, constituido por cable de guarda del tipo OPGW [10] .
- Sistema de balizaje diurno y nocturno, en las zonas en las que la línea aérea cruza o acompaña la red viaria o ferroviaria, parte de accidentes varios geográficos, zonas de diversas características, en particular de protección del medio ambiente, para la alerta de la avifauna, y parte de las distintas rutas aéreas ya sea de la aviación comercial o de la aviación militar.
- Conexiones a tierra.
- Placas de "Peligro de muerte" y de identificación / número de apoyo.
Los procesos de cálculo y los procedimientos de montaje también son iguales a los de las líneas aéreas ca, comprendiendo estos últimos las siguientes operaciones:
- Reconocimiento del trazado de la línea aérea, tomando como base la planta, a escala 1/25000, y el perfil de la línea, a la escala 1/2500, y la construcción del corredor de la línea aérea y sus accesos.
- Piqueta de línea (localización en el terreno de los puntos de implantación de los apoyos definidos sobre el perfil, mediante la medición y transmisión de alineaciones y medición de vanos, por procesos topográficos, el taqueómetro, la estación total o el GPS).
- Transporte de los postes al lugar donde van a ser implantados.
- Marcación y apertura de las cuevas de los macizos de base de los postes.
- Montaje de la base del soporte y de los electrodos de tierra y hormigonado de los macizos.
- El montaje de las secciones restantes del soporte [11] y de su anclaje y fijación.
- Montaje de las cadenas de aisladores, pinzas de fijación y suspensión y poleas.
- Desenrollado de los conductores y cable de guardia y su montaje.
- Regulación de los conductores, hecha por la medida de la tensión de colocación en los vanos constantes del proyecto, a través de dinamómetro adecuado, o por la medición de la flecha, utilizando en este caso un luneta de retículo (o meridiana).
- Fijación de conductores.
[1] En este párrafo y en el resto, el término "línea " se refiere tanto a las líneas aéreas como a los cables aislados enterrados o submarinos , salvo indicación explícita de lo contrario.
[2] Este fenómeno se llama inducción mutua .
[3] El efecto corona es el fenómeno que resulta de una descarga parcial en el aire (generalmente, en cualquier fluído) causada por la ionización de este medio cuando un conductor es atravesado por corriente eléctrica y se produce cuando el valor de la gradiente de campo eléctrico es suficiente para ionizar el medio pero no para causar una ruptura dieléctrica o un arco eléctrico entre los conductores. Este fenómeno se produce sobre todo cuando la distancia entre conductores es grande en comparación con su diámetro.
[4] El efecto pelicular es un fenómeno que se produce en ca , en el que la densidad de corriente es mayor en la superficie del conductor que en su interior. La corriente eléctrica fluye principalmente a lo largo de la superficie del conductor y su flujo es más bajo en las capas internas , lo que en la práctica resulta en la disminución de la sección útil del conductor y corresponde a un aumento de su resistencia. Este efecto resulta de las corrientes inducidas (o de Foucault) debidas a la variación del campo magnético y que se oponen a la corriente del circuito.
[5] IEC: International Electrotechnical Commission.
[6] AIS: Air Insulated Substation.
[7] Las imágenes cuyas fuentes no se muestran fueron tomadas de la documentación técnica de Siemens.
[8] La ruptura dieléctrica de un material aislante se produce cuando el valor del campo eléctrico al que es sometido es muy intenso, convirtiendo estos materiales en conductores. Se dice que en estas circunstancias, se da una disrupción.
[9] La galvanización de los perfiles debe cumplir con las normas EN ISO 14713, EN ISO 1461: 2009, ISO 9223: 1992 e ISO 2063: 2005 . Según estos estándares el espesor de galvanización depende del tipo de perfil y de la agresividad salina del medio donde se insertan los soportes. EN: Normas Europeas. ISO: International Organization for Standardization.
[10] OPGW (Optical Power Ground Wire): cable que contiene una estructura tubular con uno o más cables de fibra óptica destinados a la comunicación entre SE y/o con los Centros de Operaciones de Red (COR). Dicha estructura está rodeada de alambre de acero o capa de aluminio , que sirve como protección contra las descargas atmosféricas.
[11] Esta operación también deben incluir el montaje de las placas de identificación del apoyo y "peligro de muerte", o similar.
Manuel Bolotinha , MSc, es licenciado en Ingeniería Electrotécnica (Ramo de Energía y Sistemas de Potencia) por el IST / UL - 1974 - y Maestro en Ingeniería Electrotécnica y de Computadoras por la FCT-UNL - 2017.
Su actividad profesional se desarrolla en las áreas del proyecto, la supervisión de las obras y la gestión de contratos para instalaciones eléctricas de alta, media y baja tensión, no sólo en Portugal, sino también en África, Asia y América del Sur.
Es miembro senior de la Orden de Ingenieros y miembro del IEEE, formador profesional, acreditado por el IEFP, conduciendo cursos de formación, de cuyos manuales es el autor en Portugal, África y Oriente Medio. También es autor de varios artículos técnicos publicados en Portugal y Brasil y de libros técnicos en portugués e inglés, y ha ofrecido conferencias en OE, ANEP, FCT-UNL, IST y el ISEP.
