AP-02-2150-IT-003_0 Estudio de Selección de Conductor 500 KV

0 Emisin final 29/09/2010 PBH PMV QRS C Emitido para aprobacin y comentarios 19/08/2010 PBH PMV QRS B Emitido para aprobacin y comentarios 10/08/2010 PBH PMV QRS A Emitido para aprobacin y comentarios 30/07/2010 PBH PMV QRS

Rev. Descripcin Fecha Ejec. Rev. Apr.

Lnea de Transmisin 500 kV Chilca Marcona Ocoa Montalvo

ATS

Titulo:

Estudio de Seleccin del Conductor Lnea 500 kV

Informe N: Revisin

AP-02-2150-IT-003 0

Responsable Tcnico:

Quintn Romero S. Pgina 1 de 58

Estudio de Seleccin del Conductor Lnea 500 kV Pgina 2 de 58

AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Informe Tcnico N AP-02-2150-IT-003 Estudio de Seleccin del Conductor Lnea 500 kV

ndice

Tema Pgina

1 Resumen Ejecutivo 3 2 Introduccin 4 3 Alcance 4 4 Consideraciones Generales 5 5 Resumen de Resultados 6 5.1 Anlisis del Tipo de Material del Conductor de la Lnea Area 6 5.2 Conclusin de Eleccin del Tipo de Material del Conductor de la Lnea Area 8 5.3 Clculo por Capacidad de Corriente 9 5.4 Anlisis de Prdidas por Efecto Joule. 15 5.5 Seleccin Dimetro Mnimo por Efecto Corona. 17 6 Conclusiones 28

Anexo I: Resultados del Clculo de Seleccin de Conductor por Efecto Corona.

Anexo II: Tabla de conductores de aluminio reforzados con aleacin de aluminio.

Anexo III: Resultados del Clculo de Flechas y Tensiones con PLS-CADD.


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

1 Resumen Ejecutivo Estudio de Seleccin del Conductor Lnea 500 kV

El presente estudio ha realizado una seleccin tcnica de conductor para la lnea de transmisin de un (1) circuito con configuracin horizontal y un (1) cable de guardia (se considera un nivel Isoceraunico igual a cero), con un trazado que cubre una longitud total de 872 km, ubicada entre las subestaciones Chilca Nueva 500 kV, Marcona Nueva 500 kV, Ocoa 500 kV y Montalvo 2 en 500 kV. La seleccin ptima de los conductores para una lnea de transmisin requiere cumplir varias condiciones, que para este especfico caso son:

Clculo de Ampacidad para transmitir una potencia mayor a 1000 MVA y adems cumplir el soportar 30% de sobrecarga en condiciones de emergencia durante 30 minutos sin sobrepasar una temperatura mxima de 75 C.

Verificacin mediante clculo del lmite mximo de prdidas Joule (RI) para que no superen el valor mximo de:

a) 3 % para una potencia de transmisin de 700 MVA en el tramo comprendido entre las Subestaciones Chilca Nueva Marcona Nueva.

b) 4 % para una potencia de transmisin de 700 MVA en el tramo comprendido entre las Subestaciones Marcona Nueva Montalvo 2.

c) Clculo para la verificacin del valor mximo de la gradiente de potencial superficial en los conductores, los cuales, para los conductores elegidos resultan ser; 15,10 kV/cm para torres autosoportadas y 16,26 kV/cm para torres Cross Rope, los cuales cumplen y tienen un gran margen de seguridad respecto del valor de gradiente crtico.

Los anlisis y clculos de gradientes de potencial fueron realizados con mtodo y software del EPRI Transmission Line Reference Book - 200kV and Above (Red Book Kit). De los conductores analizados, los que cumplen con todas las condiciones

sealadas anteriormente son:

Lnea con un haz de cuatro (4) conductores por fase con configuracin horizontal de clase ACAR con un calibre mnimo de 650 MCM y con un cable de guardia OPWG.

Lnea con un haz de tres (3) conductores por fase con configuracin horizontal de clase ACAR con un calibre mnimo de 900 MCM y con un cable de guardia OPWG.

Nuestra recomendacin es utilizar una configuracin con cuatro (4) conductores por fase con un conductor del tipo ACAR 700 MCM de 37 (18/19) hebras ya que presenta un buen comportamiento y una buena holgura respecto a los lmites del gradiente mximo superficial por efecto corona tanto para la estructura tipo autosoportada como para la estructura tipo Cross Rope.


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

2 Introduccin

El presente documento tiene por objetivo determinar la mejor opcin de conductor para una lnea de transmisin con una potencia de diseo de 1000 MVA, con una longitud de 872 Km ubicado entre las Subestaciones Chilca Nueva 500 kV, Marcona Nueva 500 kV, Ocoa 500 kV y Montalvo 2 en 500 kV, requerida por el Proyecto denominado Lnea de Transmisin SGT 500 kV Chilca Marcona Montalvo. a cargo de Abengoa Per. Para ello se deber elegir el tipo de conductor y su disposicin geomtrica tanto al interior del haz de cada fase como de la ubicacin de cada fase en los diversos tipos de estructuras que tendr la lnea de transmisin.

3 Alcance

De acuerdo a las especificaciones tcnicas del proyecto, el desarrollo de este informe tiene como finalidad cumplir con los siguientes objetivos:

Determinar mediante una evaluacin tcnica, la clase de conductor a utilizar y el nmero de conductores por fase para la lnea de transmisin de 872 Km, configuracin de fases horizontal, con (1) cable de guardia OPWG (se considera un nivel isoceraunico igual a cero) y con un (1) circuito en un nivel de tensin de 500 kV, para un trazado entre las Subestaciones Chilca Nueva 500 kV, Marcona Nueva 500 kV, Ocoa 500 kV y Montalvo 2 en 500 kV.

Validar el conductor recomendado en la oferta al Ministerio de Energa y

Minas (MEM) mediante un clculo de ampacidad, prdidas mximas y gradiente superficial mximo permitido, cumpliendo con los requerimientos establecidos por las bases tcnicas de licitacin.


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

4 Consideraciones Generales

Para la determinacin del conductor, se realizar un anlisis tcnico, donde se analizan conductores del tipo AAAC, ACAR y ACSR. El conductor seleccionado deber cumplir con los siguientes requerimientos establecidos en el Anexo I de las Bases Tcnicas de licitacin:

La potencia de diseo por ampacidad deber ser mayor a 1000 MVA. En condiciones de emergencia deber soportar una sobrecarga de 30 % sobre 1000 MVA por un periodo de treinta (30) minutos sin sobrepasar una temperatura mxima de 75C.

La longitud de cada tramo de lnea de transmisin es:

Tramo Chilca Nueva Marcona Nueva: 372 km

Tramo Marcona Nueva Ocoa: 254 km

Tramo Ocoa Montalvo: 246 km

La temperatura mxima del conductor en condicin de operacin de rgimen normal se considerar de 75C.

Las prdidas hmicas no deben superar el valor mximo establecido de:

a) 3 % para una potencia de transmisin de 700 MVA en el tramo comprendido entre las Subestaciones Chilca Nueva Marcona Nueva.

b) 4 % para una potencia de transmisin de 700 MVA en el tramo comprendido entre las Subestaciones Marcona Nueva Montalvo 2.

Para el clculo de ampacidad y de temperatura del conductor a carga nominal y a mxima carga, se consideran las siguientes condiciones ambientales:

Temperatura ambiente de 30C (segn evaluacin estadstica de estaciones del SENAMHI)

Velocidad del viento de 2 Pies/Seg.

Los coeficientes de emisividad y de absorcin solar son 0,5.

Efecto del sol de 1150 Watt/m2.

Altitud mxima: 1596 m.s.n.m.


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

5 Resumen de Resultados

5.1 Anlisis del Tipo de Material del Conductor de la Lnea Area

En la actualidad, prcticamente todas las lneas de transmisin de alta tensin se construyen utilizando conductores de aluminio y sus aleaciones. Este masivo uso del aluminio como conductor elctrico se remonta desde la Segunda Guerra Mundial, en que la escasez de cobre llev a buscar sustitutos. En efecto, su buena conductividad elctrica, junto con una excelente relacin peso/dimetro (en comparacin con el cobre), y su bajo costo en relacin a los mejores conductores elctricos tales como la plata y el cobre, han llevado a un uso universal del aluminio como conductor para la transmisin de energa. En la industria de conductores de aluminio para lneas de transmisin, es posible encontrar cuatro (4) grandes grupos, que son los ms utilizados comercialmente:

All Aluminum Conductor (AAC) Aluminum Conductor Steel Reinforced (ACSR) All Aluminum Alloy Conductor (AAAC AASC) Aluminum Conductor Alloy Reinforced (ACAR)

A continuacin, se describen cada uno de estos conductores:

a) Conductores tipo AAC. Este tipo de conductor est compuesto de hebras cableadas helicoidalmente, hechas de un aluminio clasificado como 1350-H19, con alta presencia de aluminio puro, lo que le da una gran conductividad elctrica (61,5% IACS) en comparacin con los otros materiales que se describirn a continuacin. El aluminio tiene gran afinidad con el oxgeno, y en presencia de aire, rpidamente adquiere una pelcula de xido delgada, resistente y transparente, la cual posee altas propiedades dielctricas, y es qumicamente estable y resistente a la corrosin (salvo en presencia de ciertos cidos y lcalis muy especficos). Uno de los inconvenientes de este material, es que la capacidad mecnica de rotura no es muy alta, siendo adems un material bastante deformable, cuestin que se traduce en una mayor flecha de conductor a igualdad de vanos, en comparacin con los otros conductores.

b) Conductores tipo ACSR Este tipo consiste bsicamente en hebras de conductor tipo AAC descrito anteriormente, que se ubican alrededor de un ncleo de acero galvanizado compuesto por un alambre o de un cableado helicoidal de una o varias capas de acero galvanizado. La ventaja de esta disposicin, es que se obtienen altas capacidades de rotura, lo cual no era posible con los conductores tpicos de AAC. A su vez, la conductividad elctrica de los conductores tipo ACSR es similar al AAC, ya que se asume que el acero no contribuye a la conduccin. La relacin


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

entre las reas transversales del aluminio y el acero, puede ser variada de manera tal que, para una conductividad dada, el conductor puede ser cableado con diferentes cargas de rotura, simplemente variando el rea del ncleo de acero. Este tipo de conductor es ideal para lneas donde se requiere obtener una excelente relacin traccin/peso, muy adecuado donde las condiciones climticas por las que se desarrolla la lnea, impliquen grandes solicitaciones mecnicas sobre los conductores. Es posible utilizarlo en zonas con ambiente seco y no contaminado, y tambin en lugares no contaminados con lluvias frecuentes y bien distribuidas. En ambientes corrosivos (cerca del mar, o industrias contaminantes), es posible usar este tipo de conductor siempre que el ncleo de acero sea recubierto de una capa de grasa protectora. Sin embargo, la experiencia demuestra que muchas veces las condiciones ambientales pueden tambin afectar al recubrimiento de grasa, significando que la corrosin afecte finalmente al ncleo de acero, y en consecuencia, el cable comienza a cortarse. Por lo anterior, la mayora de las veces, es preferible no utilizar este tipo de conductor en ambientes agresivos cercanos al mar como es el caso de la presente lnea de transmisin.

c) Conductores tipo AAAC ( AASC) Una opcin de combinar una alta resistencia mecnica, con una conductividad elctrica adecuada, se puede obtener a travs de los conductores tipo AAAC, los cuales estn constituidos de hebras de una aleacin de aluminio denominado 6201-T81. Los conductores compuestos por este tipo de aleacin, son tratados trmicamente; tiene una menor conductividad elctrica (52,5% IACS) que los conductores de AAC, pero una capacidad mecnica mayor que stos. El concepto de este tipo de conductor proviene de la necesidad de disponer de un conductor apto para lneas de transmisin, con alta resistencia a la traccin, pero sin un ncleo de acero. La resistencia elctrica DC a 20C de los conductores de aleacin de aluminio 6201-T81 es muy similar a la de los conductores tipo ACSR del mismo dimetro, con la ventaja que las aleaciones de aluminio son ms resistentes a los ambientes corrosivos que los conductores ACSR, y sin necesidad de aplicarles materiales externos tales como grasa u otros.

d) Conductores tipo ACAR Por ltimo, se describen los conductores tipo ACAR, que bsicamente consisten en hebras de aluminio AAC (1350-H19) cableadas helicoidalmente sobre un ncleo compuesto por hebras de aleacin de aluminio 6201-T81. Es decir, en este conductor se combinan la buena conductividad de los conductores AAC, con la resistencia mecnica de los AAAC. La excelente resistencia a la corrosin, los hace especialmente adecuados para el servicio en ambientes industriales y martimos muy severos (en los cuales no


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

puede esperarse el buen servicio de los conductores ACSR) ya que, siendo los materiales homogneos, queda eliminada la posibilidad de corrosin galvnica. Teniendo en cuenta las caractersticas de los conductores descritos anteriormente, es posible definir aqullos que mejor se desempearan en el trazado de la lnea entre las Subestaciones Chilca Nueva 500 kV, Marcona Nueva 500 kV, Ocoa 500 kV y Montalvo 2 en 500 kV.

5.2 Conclusin de Eleccin del Tipo de Material del Conductor de la Lnea Area

Las ms altas relaciones de flecha/traccin que presentan los conductores de aleacin de aluminio (AAAC) y los de aluminio reforzado con aleacin (ACAR) comparados con los conductores de aluminio (AAC), hacen que sean estas clases de conductores las que se recomienda utilizar. Por otra parte, la experiencia en las lneas costeras de Per (en 220 kV) indica que los mejores resultados se han obtenido con conductores del tipo ACAR (400 mm2 y 442 mm2). Hace 7 aos se cambi a conductores de clase AAAC con tipo Aereo-Z (versin mejorada del cable AAAC tradicional para mejorar los efectos corrosivos) donde no se obtuvieron buenos resultados, provocando el reemplazo de este conductor a un ACAR 442 mm2. Por las razones expuestas anteriormente, para el diseo de esta nueva lnea de transmisin se recomienda utilizar un conductor del tipo ACAR.


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

5.3 Clculo por Capacidad de Corriente

A continuacin se realiza el clculo de ampacidad para conductores de clase ACAR para verificar la potencia mxima que son capaces de soportar estos conductores sin sobrepasar la temperatura mxima de 75 C. Las condiciones ambientales son las que se mencionaron en el punto 4 Consideraciones Generales. Este clculo se ha realizado con el programa PLS-CADD, mediante el mdulo Thermal Calculations (IEEE 738 CIGRE brochure 207) Steady State Thermal Rating, donde el clculo se basa en la Norma IEEE Standard 738-2006, "IEEE Standard for Calculating the Current-Temperature Relationship of Bare Overhead Conductors.". En las Figuras N1, N2, N3 y N4 vemos a modo de ejemplo los datos ingresados y los resultados obtenidos para un conductor ACAR 700 MCM de 37 (18/19) hebras. Los requerimientos del proyecto indican que se desea disear una lnea con una capacidad mnima de transmisin de 700 MW, donde la potencia de diseo por ampacidad de la lnea deber ser mayor a 1000 MVA y para la condicin de emergencia (por un perodo de 30 minutos) deber soportar una sobrecarga de 30 %, sobre 1000 MVA. Por las razones expuestas anteriormente, se disear la lnea para soportar una capacidad mxima de 1300 MVA.


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Figura N1: Datos ingresados en el programa PLS-CADD para un conductor ACAR 700 MCM.


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Figura N2: Datos ingresados en el programa PLS-CADD para el clculo de ampacidad.

Figura N3: Resultados obtenidos con el programa PLS-CADD para un conductor ACAR 700 MCM.


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Figura N4: Resultados obtenidos con el programa PLS-CADD para un conductor ACAR 700 MCM.

Los resultados para todos los conductores analizados son los que se muestran en la Tabla N1:

Tabla N1: Clculo de ampacidad para conductores de Clase ACAR.

500 MCM 2,066 30/7 500 564 1955 1300 4 Si

550 MCM 2,167 30/7 550 599 2075 1300 4 Si

600 MCM 2,263 30/7 600 632 2190 1300 4 Si

650 MCM 2,356 30/7 650 664 2300 1300 4 Si

700 MCM 2,445 18/19 700 685 2371 1300 4 Si

750 MCM 2,532 18/19 750 715 2476 1300 4 Si

800 MCM 2,614 18/19 800 744 2576 1300 4 Si

850 MCM 2,695 18/19 850 783 2712 1300 4 Si

900 MCM 2,774 18/19 900 812 2108 1300 3 Si

950 MCM 2,848 18/19 950 838 2177 1300 3 Si

1000 MCM 2,923 18/19 1000 864 2245 1300 3 Si

Potencia

Requerida

[MVA]

Hebras

ACAR

Cumple

Clculo de Capacidad en Lnea de Transmisin 500 kV

Configuracin

(N c/fase)

Calibre

[MCM]

P. Mx. Total

en 500 KV

[MVA]

Dimetro

[cm]

Clase de

Conductor

Cap. de I por

conductor[A]

El clculo de la temperatura que alcanza el conductor para la condicin normal y para la condicin de emergencia, es decir, para una potencia de 1000 MVA (289 Amp/conductor) y de 1300 MVA (375 Amp/conductor) respectivamente, es el que se muestra en la Tabla N2. En las Figuras N5, N6 y N7 se muestra a modo de ejemplo los valores ingresados para el caso de un conductor de clase ACAR con un haz de 4x700 MCM.


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Figura N5: Datos ingresados en el programa PLS-CADD para el clculo de temperatura en el conductor.

Figura N6: Resultados obtenidos con el programa PLS-CADD para un conductor

ACAR 700 MCM (18/19 hebras).


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Figura N7: Resultados obtenidos con el programa PLS-CADD para un conductor ACAR 700 MCM (18/19 hebras).

Para la situacin de emergencia donde se transmiten 1300 MVA, los resultados se obtuvieron de manera similar a la determinacin de la temperatura del conductor para transmitir 1000 MVA (Figuras N 6 y N7). Los resultados de ambos casos se muestran en la Tabla N 2.

Tabla N2: Clculo de Temperatura para conductores de Clase ACAR.

1000 MVA 1300 MVA

500 MCM 2,066 30/7 500 48,1 54,3 4

550 MCM 2,167 30/7 550 47,2 52,7 4

600 MCM 2,263 30/7 600 46,6 51,4 4

650 MCM 2,356 30/7 650 46,1 50,4 4

700 MCM 2,445 18/19 700 45,7 49,7 4

750 MCM 2,532 18/19 750 45,3 49,0 4

800 MCM 2,614 18/19 800 45,0 48,4 4

850 MCM 2,695 18/19 850 44,8 47,8 4

900 MCM 2,774 18/19 900 44,6 47,4 3

950 MCM 2,848 18/19 950 44,4 47,1 3

1000 MCM 2,923 18/19 1000 44,3 46,8 3

Temperatura del

conductor (C) para

ACAR

Clculo de Capacidad en Lnea de Transmisin 500 kV

Clase de

Conductor

Dimetro

[cm]Hebras

Calibre

[MCM]

Configuracin

(N c/fase)

Si bien a simple vista puede parecer que estos conductores estn sobredimensionados debido a que todos exceden la potencia mxima requerida de 1300 MVA, el fundamento para esta eleccin de calibres de los conductores est enfocado en el anlisis de las exigencias de los valores mximos de gradiente superficial en los conductores y de las prdidas por efecto Joule, tema que ser tratado a continuacin en el punto 5.4.


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

5.4 Anlisis de Prdidas por Efecto Joule.

El objetivo de este anlisis es verificar el cumplimiento establecido en el contrato de concesin, donde se establece que el lmite mximo de prdidas por efecto Joule, calculado para un valor de potencia de salida igual a la capacidad de transmisin en operacin normal, con un factor de potencia igual a 1.0 (p.u.) y tensin en la barra de llegada igual a 1.0 (p.u.), ser el indicado en el siguiente cuadro: Tabla N3: Niveles mximos de prdidas establecidos en el contrato de concesin.

% de prdidas a Pnom/circuito Tramo Pnom

(MVA) Prdida mxima

Lnea Chilca Nueva Marcona Nueva 700 3,00 % Lnea Marcona Nueva Montalvo 2 700 4,00 %

La frmula de clculo para verificar el nivel de prdidas Joule ser la siguiente:

A continuacin en las tablas N4 y N5 se muestra un cuadro resumen con los resultados de las prdidas obtenidas para cada conductor analizado. Tabla N4: Prdidas por efecto Joule en conductores de clase ACAR para el tramo

de 372 km de la lnea Chilca Nueva Marcona Nueva.

500 MCM 2,066 30/7 500 372 0,1430 3,724 700 4 No

550 MCM 2,167 30/7 550 372 0,1301 3,388 700 4 No

600 MCM 2,263 30/7 600 372 0,1195 3,112 700 4 No

650 MCM 2,356 30/7 650 372 0,1104 2,875 700 4 Si

700 MCM 2,445 18/19 700 372 0,1100 2,863 700 4 Si

750 MCM 2,532 18/19 750 372 0,1027 2,675 700 4 Si

800 MCM 2,614 18/19 800 372 0,0964 2,511 700 4 Si

850 MCM 2,695 18/19 850 372 0,0883 2,299 700 4 Si

900 MCM 2,774 18/19 900 372 0,0834 2,896 700 3 Si

950 MCM 2,848 18/19 950 372 0,0793 2,753 700 3 Si

1000 MCM 2,923 18/19 1000 372 0,0755 2,621 700 3 Si

Prdida

Mxima

%

Potencia

Requerida

[MVA]

Configuracin

(N c/fase)Cumple

Resistencia

a 75C

(/Km)

Longitud

Lnea

(Km)

Clculo de Prdidas en Lnea de Transmisin 500 kV

Clase de ConductorDimetro

[cm]Hebras

Calibre

[MCM]

ACAR


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Tabla N5: Prdidas por efecto Joule en conductores de clase ACAR para el tramo de 500 km de la lnea Marcona Nueva Montalvo 2.

500 MCM 2,066 30/7 500 500 0,1430 5,005 700 4 No

550 MCM 2,167 30/7 550 500 0,1301 4,554 700 4 No

600 MCM 2,263 30/7 600 500 0,1195 4,183 700 4 No

650 MCM 2,356 30/7 650 500 0,1104 3,864 700 4 Si

700 MCM 2,445 18/19 700 500 0,1100 3,848 700 4 Si

750 MCM 2,532 18/19 750 500 0,1027 3,596 700 4 Si

800 MCM 2,614 18/19 800 500 0,0964 3,374 700 4 Si

850 MCM 2,695 18/19 850 500 0,0883 3,091 700 4 Si

900 MCM 2,774 18/19 900 500 0,0834 3,892 700 3 Si

950 MCM 2,848 18/19 950 500 0,0793 3,701 700 3 Si

1000 MCM 2,923 18/19 1000 500 0,0755 3,523 700 3 Si

Prdida

Mxima

Potencia

Requerida

Configuracin

(N c/fase)CumpleClase de Conductor

Dimetro

[cm]Hebras

Calibre

[MCM]

Longitud

Lnea

Resistencia

a 75C

ACAR

Clculo de Prdidas en Lnea de Transmisin 500 kV

De los resultados obtenidos en las tablas N4 y N5, se observa que para los conductores estudiados, las configuraciones que no cumplen con el criterio de prdidas mximas por efecto Joule son el caso de una lnea de 1 circuito con un haz de 4 conductores de Clase ACAR 500 MCM, ACAR 550 MCM y ACAR 600 MCM, los dems casos analizados cumplen todos con la condicin de lmite de prdidas por efecto Joule.


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

5.5 Seleccin Dimetro Mnimo por Efecto Corona.

El exponencial aumento de los consumos en los sistemas de potencia y la transformacin de los mercados centralizados en mercados competitivos, ha hecho que la eficiencia de los sistemas de generacin y transporte de la energa elctrica sea cada vez ms relevante para los actores del sistema. Para lograr tasas de prdida bajas, los sistemas de transmisin han aumentado cada vez ms los niveles de tensin de sus lneas. Adems, los diseadores de lneas de transmisin buscan minimizar los costos de inversin de stas, lo que se traduce en minimizar la cantidad de conductor por unidad de potencia transmitida. Estas dos situaciones hacen que el conocido efecto corona aparezca en las lneas de transmisin y sub estaciones. El efecto corona se produce cuando el campo elctrico (o gradiente de potencial) supera un cierto umbral (gradiente de potencial crtico). El umbral est dado, entre otras variables, por condiciones del aire como presin y humedad. El gradiente de potencial crtico segn la frmula de Peek:

+=c

oC

rEmE

301.01

En donde: E0 : gradiente crtico disruptivo del aire. Bajo condiciones normales de

temperatura y presin (25C y 760 mmHg) es de 21,1 kVrms/cm.

rC : radio del conductor en cm.

: densidad relativa del aire dada por:

o

o

P

P

t

t

+

+=

273

273

P : presin del aire en mmHg. t : temperatura en C. t0 : temperatura de referencia, usualmente es 25C p0 : es la presin de referencia, usualmente es 760 mmHg. m : coeficiente de estado superficial

m = 1,0, para un conductor liso ideal. m = 0.95, para un conductor cableado nuevo. m = 0.7-0.8, para un conductor cableado envejecido. m = 0.5-0.7, para un conductor deficiente. m < 0.6, para cualquier conductor bajo lluvia.


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Segn las bases tcnicas del proyecto, se debe cumplir con un valor mximo de gradiente superficial en los conductores de 15 kVrms/cm, en las zonas con altitud hasta 1000 m.s.n.m., y para las zonas con una altitud mayor a 1000 m.s.n.m. se permitir un valor de 18,5 kVrms/cm. En este caso se recomienda utilizar el mtodo tradicional que se ha estado aplicando en proyectos de lneas de transmisin que estn operando con un buen desempeo en el mundo que se citarn ms adelante y que adems, es avalado por el informe del PhD, Luis Ortiz Navarrete, que se adjunta en el Informe N AP-02-2150-IT-004; que es el mtodo recomendado por Electric Power Research Institute (EPRI) en el texto de referencia EPRI AC Transmission Line Reference Book-200 kV and Above, Third Edition que consiste en comparar el gradiente mximo en la superficie de los conductores con el gradiente crtico de ruptura dado por la frmula de Peek mencionada anteriormente. El clculo del gradiente mximo en la superficie de los conductores se realiz con el software basado en el procedimiento de clculo recomendado por Electric Power Research Institute (EPRI), cuyos resultados se muestran ms adelante. Para calcular el gradiente de potencial mximo en la superficie del conductor se utiliza el mtodo de Markt y Mengele, el cual es aplicable para conductores simples y fasiculados (o en haz) mediante el procedimiento que se explica a partir de la siguiente figura: Figura N8: Determinacin del radio equivalente para un haz de conductores.

n : nmero de subconductores. R : radio del subconductor. S : distancia entre dos subconductores consecutivos. A : radio del crculo de subconductores.

Luego, se calcula el radio equivalente como:

Se pueden calcular las cargas en los conductores multiplicando los voltajes en los conductores por la inversa de la matriz [P]:


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Donde la matriz [P] se calcula segn:

En donde:

Figura N9: Descripcin del mtodo de las imgenes.

El vector [V] contiene los voltajes de los conductores en forma de fasores. El gradiente de potencial promedio en la superficie de los conductores es:

Y el gradiente de potencial mximo en la superficie de los conductores ser:

En este informe se ha realizado el anlisis considerando una lnea de 500 kV, con configuracin horizontal y con un (1) cable de guardia; con conductores de clase ACAR con un haz que puede ser de tres (3) o cuatro (4) conductores por fase. Se ha elegido un cable de guardia tipo OPGW por la necesidad de dar una solucin a las comunicaciones, se estima que no hay descargas atmosfricas en la zona donde se ubica el trazado de la lnea. Las estructuras utilizadas para el clculo del gradiente de potencial en la superficie de los conductores son las siguientes:


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Figura N10: Estructura de suspensin tipo autosoportada utilizada para el clculo del gradiente superficial en los conductores (medidas en metros).

Figura N11: Estructura de suspensin tipo Cross Rope utilizada para el clculo del gradiente superficial en los conductores (medidas en metros).


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

El esquema geomtrico utilizado para la determinacin de la Matriz [P] mediante el mtodo de las imgenes es el que se muestra a continuacin en la siguiente figura: Figura N12: Disposicin geomtrica de la lnea de transmisin de 500 kV con un

(1) cable de guardia para la estructura de suspensin tipo autosoportada.


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Figura N13: Disposicin geomtrica de la lnea de transmisin de 500 kV con un (1) cable de guardia para la estructura de suspensin tipo Cross Rope.

En estas figuras se muestra el caso correspondiente a una lnea de transmisin con configuracin horizontal, con cuatro (4) conductores por fase y con un (1) cable de guardia tipo OPGW. Tanto para la estructura tipo autosoportada como para la tipo Cross Rope se considera un vano medio de 510 m, con una temperatura del conductor de 50C y un tensado de 20% EDS, obtenindose las siguientes alturas promedio para los conductores de fase y para el cable de guardia (los resultados de este clculo con PLS-CADD se muestran en el Anexo III, donde las temperaturas EDS y temperaturas mximas se obtienen de la evaluacin estadstica de estaciones del SENAMHI).


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Tabla N6: Alturas promedio desde los conductores hasta el suelo.

Distancia promedio del conductor al suelo Tipo de Estructura Autosoportada Cross Rope

Conductor de fase 17,94 m 17,94 m

Cable guardia 30,19 m 29,19 m

La altimetra a lo largo de todo el trazado de la lnea de transmisin especificada por tramos es la que se muestra a continuacin en las siguientes figuras:

Figura N14: Altimetra para el tramo de 372 km entre Chilca y Marcona.

Figura N15: Altimetra para el tramo de 254 km entre Marcona y Ocoa.

Figura N16: Altimetra para el tramo de 246 km entre Ocoa y Montalvo.


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Con esta informacin, los valores establecidos para la altitud de los tramos de la lnea Chilca-Marcona-Montalvo son los siguientes: Tramo I: Chilca - Marcona Altura Promedio : 424.0 m Altura Mnima : 53.0 m. Altura Mxima : 900.0 m. Tramo II: Marcona - Ocoa Altura Promedio : 574.0 m Altura Mnima : 50.0 m. Altura Mxima : 1596.0 m. Tramo III: Ocoa - Montalvo Altura Promedio : 878.0 m Altura Mnima : 49.0 m. Altura Mxima : 1574.0 m. Para el clculo del gradiente crtico de ruptura dado por la frmula de Peek se consideran los siguientes parmetros:

Temperatura ambiente de 30 C Coeficiente de estado superficial m = 0.82 Altura promedio de 878 mt (altura promedio para tramo ms

desfavorable). El clculo del gradiente superficial de los conductores debido al efecto corona, se realiza utilizando el software basado en el procedimiento de clculo recomendado por Electric Power Research Institute (EPRI) en el texto de referencia EPRI AC Transmission Line Reference Book-200 kV and Above, Third Edition. A continuacin, a modo de ejemplo se muestran los datos ingresados para el caso de una estructura autosoportada con un conductor del tipo ACAR 4x700 MCM (18/19 hebras).


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Figura N17: Datos ingresados para una estructura del tipo autosoportada con un conductor de Clase ACAR 4x700 MCM (18/19 hebras).

Figura N18: Datos ingresados para una estructura del tipo autosoportada con un (1) cable de guardia del tipo OPGW.


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Figura N19: Datos procesados para estructura del tipo autosoportada con un (1) cable de guardia del tipo OPGW y un conductor de Clase ACAR 4x700 MCM

(18/19 hebras).

Los cuadros resumen con los resultados obtenidos para el clculo del mximo valor del gradiente de potencial son los que se presentan a continuacin en las Tablas N7 y N8.

Tabla N7: Gradientes de potencial para conductores de clase ACAR para la estructura tipo autosoportada.

650 MCM 2,356 30/7 650 15,57 20,28 4 Si 40 28,28 18,07

700 MCM 2,445 18/19 700 15,10 20,19 4 Si 40 28,28 18,24

750 MCM 2,532 18/19 750 14,68 20,11 4 Si 40 28,28 18,40

800 MCM 2,614 18/19 800 14,30 20,04 4 Si 40 28,28 18,55

850 MCM 2,695 18/19 850 13,95 19,97 4 Si 40 28,28 18,69

900 MCM 2,774 18/19 900 16,36 19,91 3 Si 40 23,09 13,04

950 MCM 2,848 18/19 950 16,02 19,86 3 Si 40 23,09 13,16

1000 MCM 2,923 18/19 1000 15,68 19,80 3 Si 40 23,09 13,27

Calibre

[MCM]

Configuracin

(N c/fase)Cumple

Gradiente

Calculado

(kVrms/cm)

Gradiente

Crtico de

ruptura

(kVrms/cm)

Clculo del Gradiente en Lnea de Transmisin 500 kV (Autosoportada)

Separacin

del Haz (cm)

Radio

Haz

Radio

Equivalente

(cm)

ACAR


[cm]Hebras


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Tabla N8: Gradientes de potencial para conductores de clase ACAR para la estructura tipo Cross Rope.

650 MCM 2,356 30/7 650 16,76 20,28 4 Si 40 28,28 18,07

700 MCM 2,445 18/19 700 16,26 20,19 4 Si 40 28,28 18,24

750 MCM 2,532 18/19 750 15,80 20,11 4 Si 40 28,28 18,40

800 MCM 2,614 18/19 800 15,40 20,04 4 Si 40 28,28 18,55

850 MCM 2,695 18/19 850 15,02 19,97 4 Si 40 28,28 18,69

900 MCM 2,774 18/19 900 17,52 19,91 3 Si 40 23,09 13,04

950 MCM 2,848 18/19 950 17,15 19,86 3 Si 40 23,09 13,16

1000 MCM 2,923 18/19 1000 16,79 19,80 3 Si 40 23,09 13,27


[cm]Cumple

Separacin

del Haz (cm)

Radio

Haz

Clculo del Gradiente en Lnea de Transmisin 500 kV (Cross Rope)

HebrasCalibre

[MCM]

Gradiente

Calculado

(kVrms/cm)

Gradiente

Crtico de

ruptura

(kVrms/cm)

Configuracin

(N c/fase)

Radio

Equivalente

(cm)

ACAR

El detalle del clculo para todos los casos analizados se encuentra en las hojas de clculo del Anexo I de este informe De los resultados obtenidos podemos concluir que de los conductores estudiados, se cumple con el criterio de que la gradiente de potencial mxima en la superficie de los conductores es menor que la gradiente crtica de ruptura para una lnea con un haz de cuatro (4) conductores por fase de clase ACAR con un calibre mnimo de 650 MCM y para una lnea con un haz de tres (3) conductores por fase de clase ACAR con un calibre mnimo de 900 MCM. Se debe considerar que los resultados obtenidos varan de manera considerable si se cambian las distancias de la disposicin de la lnea de transmisin, adems, el gradiente crtico de ruptura est fuertemente influenciado por la densidad relativa del aire y por el coeficiente m que indica el estado de la superficie del conductor. Por esta razn, debido a que ciertos parmetros, tales como la temperatura ambiente o el coeficiente m pueden variar con el tiempo, se considera necesario adoptar una cierta holgura al seleccionar el conductor usando el criterio del gradiente superficial mximo. Por las razones expuestas anteriormente, se recomienda utilizar una lnea con configuracin horizontal, con un (1) cable de guardia tipo OPGW y un conductor de Clase ACAR 4x700 MCM (18/19 hebras) con una separacin en el haz de 40 cm, el cual est lejos de sobrepasar el gradiente crtico de ruptura de 20,19 kV/cm (tanto para la estructura autosoportada como para la estructura Cross Rope).


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

6 Conclusiones

En este estudio se ha realizado una seleccin tcnica de conductor para la lnea de un (1) circuito, con configuracin horizontal y con un (1) cable de guardia, con una longitud total de 872 km ubicada entre las Subestaciones Chilca Nueva 500 kV, Marcona Nueva 500 kV, Ocoa 500 kV y Montalvo 2 en 500 kV, requerida por el Proyecto denominado Lnea de Transmisin SGT 500 kV Chilca Marcona Montalvo a cargo de Abengoa Per. Para esta seleccin de conductor se realizaron los siguientes clculos:

Un clculo de ampacidad para verificar que los conductores seleccionados sean capaces de transmitir una potencia de diseo mayor a 1000 MVA. En condiciones de emergencia deber soportar una sobrecarga de 30 % sobre 1000 MVA por un periodo de treinta (30) minutos sin sobrepasar una temperatura mxima de 75C.

Verificacin mediante el clculo del lmite mximo de prdidas Joule para que no superen el valor mximo establecido de:

- 3 % para una potencia de transmisin de 700 MVA en el tramo comprendido entre las Subestaciones Chilca Nueva Marcona Nueva.

- 4 % para una potencia de transmisin de 700 MVA en el tramo comprendido entre las Subestaciones Marcona Nueva Montalvo 2.

Clculo para la verificacin del valor mximo del gradiente superficial en los conductores, el cual no debe exceder el Gradiente Crtico de Ruptura.

De los conductores analizados, los que cumplen con todas las condiciones sealadas anteriormente son:

Lnea con un haz de cuatro (4) conductores por fase con configuracin horizontal de clase ACAR con un calibre mnimo de 650 MCM y con un cable de guardia OPWG.

Lnea con un haz de tres (3) conductores por fase con configuracin horizontal de clase ACAR con un calibre mnimo de 900 MCM y con un cable de guardia OPWG.

Se recomienda utilizar 2 tipos de estructuras, la Autosoportada y la Cross Rope (Arriendada) ya que se ha demostrado en este estudio que ambas son tcnicamente viables.

Nuestra recomendacin es utilizar una configuracin con cuatro (4) conductores por fase con un conductor del tipo ACAR 700 MCM de 37 (18/19 hebras) ya que presenta un buen comportamiento y una buena holgura respecto a los lmites del gradiente mximo superficial por efecto corona tanto para la estructura tipo Autosoportada como para la estructura tipo Cross Rope.

Cabe destacar que el criterio propuesto el cual compara el gradiente superficial con el gradiente crtico es avalado por la experiencia de otras lneas de transmisin en 500 kV, las que se sealan en el Informe N AP-02-2150-IT-004 preparado por el Dr. Luis Ortz Navarrete


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Anexo I: Resultados del Clculo de Seleccin de Conductor por Efecto Corona.


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Estructura Autosoportada ACAR 4x650 MCM


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0



AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Estructura Cross Rope ACAR 4x650 MCM


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0



AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Anexo II

Tabla de conductores de aluminio reforzados con aleacin de aluminio.


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Anexo III

Resultados del Clculo de Flechas y Tensiones con PLS-CADD.


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

1. Alcance De acuerdo con el Cdigo Nacional de Electricidad Suministro 2001 y debido al trazado de la lnea, las hiptesis para el clculo de las solicitaciones de carga debidas a los conductores, que se emplearn en la evaluacin de las capacidades en cables, cadenas, estructuras, etc.; as como tambin, distanciamientos elctricos entre cables, cables a estructuras, de cables al suelo, etc., son las siguientes:

Hiptesis 1 Condicin normal Temperatura conductor [C] 20 Temperatura Ambiente [C] 20 Velocidad de Viento [m/s] 0

Hiptesis 2 Flecha mxima (1000MVA) Temperatura conductor [C] 50 Temperatura Ambiente [C] 30 Velocidad de Viento [m/s] 0

Hiptesis 3 Viento mximo

Temperatura conductor [C] 10 Temperatura Ambiente [C] 10 Velocidad de Viento [m/s] 26

Hiptesis 4 Temperatura mnima


Hiptesis 5 Viento medio


Estos valores son los que se encuentran en la Tabla 250-1-B del referido cdigo.


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

2. Tensiones mecnicas admisibles de servicio

De acuerdo a las hiptesis de carga, para evitar dao en el conductor por la aparicin de vibraciones elicas y/o tensiones extremas, las tensiones que alcancen no debern exceder los porcentajes a condicin final sealados a continuacin:

Hiptesis 1 : 20%

Hiptesis 2 : 30%

Hiptesis 3 : 50%

Hiptesis 4 : 50%

Hiptesis 5 : 50%

El templado del cable OPGW es tal que para condicin normal, la flecha del OPGW no sobrepase el 90% de la flecha del cable conductor

3. Clculo de flechas y tensiones Las tensiones y flechas en los conductores para un vano medio de 510m son las siguientes

Hiptesis Tensin [kg] %TR Flecha[m] 1 1638.1 20% 20.02 2 1526.0 19% 21.54 3 2333.3 29% 20.27 4 1726.8 21% 18.97 5 1771.7 22% 19.32

Para el caso del OPGW las tensiones y flechas para un vano medio de 510m son las siguientes

Hiptesis Tensin [kg] %TR Flecha[m] 1 1302.8 12% 18.02 2 1235.5 11% 19.02 3 1687.1 15% 18.28 4 1353.7 12% 17.32 5 1376.1 12% 17.56

4. Clculo de flechas promedio

Se determin la flecha promedio para un vano real de 510, sobre la catenaria de se calcula alturas sobre suelo cada 20 m y se toma el valor medio a lo largo del vano, obtenindose 17.94 m de altura promedio para el conductor y 30.19 para el OPGW, el detalle se presenta a continuacin:


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Cable ACAR 700MCM

Progresiva

50C 20C

Flecha Max EDS

Estructura inicial 510 30.54 30.54

500 28.88 29.00

480 25.76 26.11

460 22.91 23.45

440 20.32 21.05

420 18.01 18.89

400 15.95 16.99

380 14.16 15.32

360 12.64 13.91

340 11.39 12.74

320 10.40 11.82

300 9.67 11.14

280 9.21 10.71

260 9.01 10.53

240 9.07 10.59

220 9.40 10.90

200 10.00 11.45

180 10.86 12.25

160 11.98 13.29

140 13.37 14.59

120 15.03 16.13

100 16.95 17.91

80 19.13 19.94

60 21.58 22.22

40 24.30 24.75

20 27.29 27.52

Estructura final 0 30.54 30.54

Altura de amarre promedio (hp) 16.98 17.94

Altura de amarre (ha) 30.54 30.54

Flecha (f) 21.54 20.02


AP-02-2150-IT-003 Rev: 0

Cable OPGW

Progresiva

50C 20C

Flecha Max EDS

Estructura inicial 510 41.54 41.54

500 40.08 40.15

480 37.33 37.54

460 34.81 35.15

440 32.53 33.00

420 30.48 31.06

400 28.67 29.34

380 27.09 27.84

360 25.75 26.57

340 24.64 25.52

320 23.76 24.69

300 23.12 24.08

280 22.71 23.69

260 22.54 23.53

240 22.60 23.58

220 22.89 23.86

200 23.41 24.36

180 24.17 25.08

160 25.16 26.02

140 26.39 27.18

120 27.85 28.56

100 29.55 30.17

80 31.48 31.99

60 33.64 34.05

40 36.04 36.32

20 38.67 38.82

Estructura final 0 41.54 41.54

Altura de amarre promedio (hp) 29.57 30.19

Altura de amarre (ha) 41.54 41.54

Flecha (f) 19.01 18.02

AP-02-2150-IT-003_0 Estudio de Selección de Conductor 500 KV

Documents

Transcript of AP-02-2150-IT-003_0 Estudio de Selección de Conductor 500 KV