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UNDÉCIMO ENCUENTRO REGIONAL IBEROAMERICANO DEL CIGRÉ – XI ERIAC

COMITÉ NACIONAL PARAGUAYO DEL CIGRE

22 al 26 de mayo 2005 – Hernandarias – Paraguay

ESTUDIOS DE DISEÑO ELÉCTRICO PARA INSTALACIÓN DE CABLE OPGW EN UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN

COMITÉ TÉCNICO* (HÉCTOR. R. DISENFELD)

RIAC (TRANSENER S. A.) Argentina

Resumen – Construida la cuarta línea entre las EETT Piedra del Águila y Abasto, la cual lleva un cable OPGW como uno de los hilos de guardia, se presentó la necesidad de prolongar este sistema de comunicaciones hasta la E.T. Ezeiza.

Para ello se utilizó la línea Abasto – Ezeiza en funcionamiento en la que por motivos de tipo mecánico se optó por no reemplazar alguno de los hilos de guardia existentes, sino situar las suspensiones del nuevo cable OPGW a una altitud que se encuentra por debajo de los hilos de guardia y por encima de los conductores de fase.

Se analiza en este trabajo los efectos que pudiera tener sobre la línea la instalación del cable (OPGW) que incluye los siguientes ítems.

1) Modificación de los parámetros homopolares de la línea

2) Análisis de exigencias térmicas que se pudieran presentar sobre el cable OPGW ante una contingencia. 3) Verificación de que el posicionamiento del cable OPGW no presenta riesgos de acercamiento entre este y los conductores de fase.

Palabras clave: Cable OPGW, Corrientes de Falla,

Distribución de Corrientes, Solicitación Térmica, Distancias Eléctricas 1 INTRODUCCIÓN

Las comunicaciones del corredor desde el Comahue a Ezeiza de Transener S.A. se realizaban principalmente con sistemas de Onda Portadora a través de las cuales se envían señales de teleprotección, telemando y telefonía. Para potenciar este sistema de comunicaciones se aprovechó la construcción de la cuarta línea desde

Piedra del Águila a Abasto en la que se utilizó un cable OPGW como uno de los hilos de guardia. Faltando un tramo adicional desde Abasto a Ezeiza, en el que se encuentran dos ternas ya construidas, para completar este vínculo de comunicación. A una de ellas se decidió agregar un cable OPGW, el cual por motivos de tipo mecánico no reemplazó a uno de los hilos de guardia existente sino se lo ubicó a una altitud que se encuentra por debajo de los hilos de guardia y por encima de los conductores de fase. Esta modificación a la línea va a resultar en efectos eléctricos que deben ser analizados y que son los siguientes: 1) Al introducir este cable OPGW en la línea, se va a presentar una modificación de los parámetros homopolares en la misma, lo que lleva a un incremento de la potencia de cortocircuito monofásico, utilizando el programa ATP se calculan los nuevos parámetros a partir de las características del cable OPGW y de su posicionamiento en la torre 2) Una de las características a tener en cuenta cuando se instala un cable OPGW en una línea de transmisión, es su capacidad de soportar las solicitaciones térmicas a que se verá sometido para el caso de falla a tierra, ya que parte de la corriente de falla se derivará por este. Como a partir del programa ATP se puede obtener la corriente de tierra total, sin discriminar la que realmente es de interés, o sea la del cable OPGW, se presenta aquí una metodología que pondera que parte de la corriente de falla se deriva por este, eso se logra utilizando

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equivalentes circuitales que surgen de la evaluación de los parámetros de la línea. 3) Finalmente se debe verificar que la distancia entre cable OPGW y los conductores de fase para la línea en estudio no presenten aproximaciones de riesgo que pudiesen dar lugar a una descarga entre ellos, para lo cual se presenta un análisis tomando como referencia la Norma VDE 0210(12/85) 2 MODELADO PARA EL ANÁLISIS

El tramo Abasto – Ezeiza se encuentra conformado por dos ternas con una longitud de 58 km. Sobre una de las ternas se instaló un cable OPGW, pero por motivos de tipo mecánico se optó por no reemplazar a uno de los hilos de guardia existentes, sino ubicarlo a una altitud que se encuentra por debajo de los hilos de guardia y por encima de los conductores de fase. En la FIG. 1 se muestra a continuación la conformación del cable OPGW y en la FIG. 2 se ve el esquema de la torre con el posicionamiento del cable OPGW.

FIG. 2 Se muestra a continuación la entrada de datos al programa ATP para la determinación de los parámetros de la línea, y que esta constituida por la geometría de la terna y por las dimensiones y características de los conductores, hilos de guardia y el cable OPGW.

FIG. 1

LINE CONSTANTS C METRIC C ><SKN>< RESIS>IX< REACT>< DIAM >< HORIZ><VTOWER>< VMID >< SEPAR><ALPH> NB 1 .316 0.0951 4 2.450 -13.45 22.66 12.99 45. 45. 4 2 .316 0.0951 4 2.450 0.00 22.66 12.99 45. 45. 4 3 .316 0.0951 4 2.450 13.45 22.66 12.99 45. 45. 4 0 .5 2.20 4 1.250 -11.50 32.40 23.70 0 .5 2.20 4 1.250 11.50 32.40 23.70 0 .264 0.446 4 1.490 8.95 27.20 17.53

3 AFECTACIÓN DE PARÁMETROS

A partir de lo expresado anteriormente se realizaron las evaluaciones de parámetros de línea, con la condición actual y la futura que incluye el cable OPGW. Se obtienen los siguientes resultados, que se transcriben de las salidas del programa de cálculo. Caso a: Línea sin cable OPGW Sequence Resistance Reactance Susceptance ohm/km ohm/km mho/km Zero : 2.82762E-01 9.29305E-01 2.89746E-06 Positive: 2.46797E-02 2.82012E-01 4.12479E-06

Caso b: Línea con cable OPGW Sequence Resistance Reactance Susceptance ohm/km ohm/km mho/km Zero : 2.68081E-01 7.10796E-01 3.06749E-06 Positive: 2.57099E-02 2.80507E-01 4.15344E-06 De estos resultados se observa que no se presentan prácticamente variaciones en los parámetros de secuencia directa, pero si en los de secuencia homopolar, notándose una disminución del orden del 24% para el caso de las reactancias, lo cual va a incrementar los niveles de potencia de cortocircuito monofásico en las E.T. de Ezeiza y Rodríguez en 500 kV, aunque en forma leve.

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4 COMPORTAMIENTO DEL CABLE OPGW

ANTE LA CONTINGENCIA DE FALLA MONOFÁSICA

4.1 Metodología

Ante la contingencia de falla monofásica a tierra, parte de la corriente de falla se va a derivar por el cable OPGW. Para evaluar esa corriente y así determinar las características térmicas de un cable OPGW que la soporte, se muestra a continuación una metodología de cálculo. Normalmente los programas en uso dan como información la corriente de cortocircuito monofásica, esta que resulta ser la corriente de falla, es la que se deriva por el retorno de tierra y es igual a 3 I0. La corriente de falla tiene tres vías de retorno. a) el cable OPGW, b) ambos hilos de guardia y c) la tierra. Para el caso c, o sea la tierra, se presenta la resistencia de puesta a tierra de la torre, por lo que en la proximidad de la falla, se puede afirmar que casi toda la corriente se derivará por el cable OPGW y por los hilos de guardia, luego a medida que se aleja del punto de falla esta corriente se irá incrementando por la tierra. A partir de lo expresado, se presenta ahora el planteo de determinar como se va a repartir la corriente de falla entre el cable OPGW y ambos hilos de guardia. Una forma de encarar este análisis es a través del programa ATP, pero se presenta el siguiente problema. Utilizándose este programa de cálculo, si bien se puede obtener la corriente de falla total, no discrimina como se distribuye esta, entre el cable OPGW y los hilos de guardia. Para resolver esto acudimos a la información que se obtiene del programa de cálculo de parámetros de línea del programa ATP De la salida del cálculo de parámetros de línea se obtiene los parámetros de secuencia directa y homopolar, que son respectivamente Z1 y Z0. A partir de estos parámetros de secuencia, se puede representar cualquier línea con el siguiente esquema circuital que se muestra en la Fig. 3

FIG. 3

Se observa de este esquema, una línea trifásica con una impedancia Z1 en cada fase y con un retorno por tierra

310 ZZZ N

−=

Es por la impedancia de retorno por tierra ZN por la que se derivará la corriente de falla. Ahora bien, para el caso en análisis, el valor de ZN que se obtiene del programa de cálculo de parámetros es el retorno de tierra que incluye, el cable OPGW, los dos hilos de guardia y la tierra. O lo que es lo mismo un ZN que se encuentra compuesto por tres elementos en paralelo, como se observa en Fig. 4

FIG. 4

Con el objeto de determinar los valores de ZN de los componentes OPGW y de ambos hilos de guardia que son nuestros datos de interés, procedemos de la siguiente manera. 1) Se determinan los parámetros de secuencia de la línea sin considerar la presencia de los hilos de guardia ni del cable OPGW, de esta forma se obtiene un valor de ZN que viene dado por la tierra. 2) Se repite este proceso para la línea incluyendo los hilos de guardia pero no el OPGW, de esta forma se obtiene otro valor de ZN que resulta ser el paralelo de la tierra con los hilos de guardia. 3) Se realiza la determinación de los parámetros de la línea sin los hilos de guardia, pero con la presencia del cable OPGW, se obtiene así un valor de ZN que es el paralelo de la tierra y el cable OPGW.

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Denominamos al ZN que representa a la tierra como ZG, al ZN de los hilos de guardia como ZGW y al ZN del cable OPGW como ZOPGW, se tiene así que lo obtenido en 1) es ZN1 = ZG, lo obtenido en 2) es ZN2 = ZG // ZGW y lo obtenido en 3) es ZN3 = ZG // ZOPGW. Se tiene así que si tenemos ZA // ZB = ZP va a resultar ZB = (ZA * ZP) / (ZA – ZP) A partir de esto y de la salida de los cálculos de los parámetros de secuencia para las configuraciones de línea mencionadas en 1), 2) y 3) se determinan los valores de ZG, ZGW y ZOPGW. Procediendo de la forma expuesta, se da a continuación los resultados de los parámetros de secuencia (salidas de ATP) para las diferentes configuraciones. 1) Caso sin hilos de guardia y sin cable OPGW

Sequence Resistance Reactance Susceptance ohm/km ohm/km mho/km

Zero : 1.66561E-01 1.04319E+00 2.62626E-06Positive: 2.39263E-02 2.82197E-01 4.09277E-06 ZN1 = ZG = RN1 + XN1 = 0,047545 Ω/km + j 0,253664 Ω/km 2) Caso con hilos de guardia y sin cable OPGW Sequence Resistance Reactance Susceptance ohm/km ohm/km mho/km

Zero : 2.82762E-01 9.29305E-01 2.89746E-06Positive: 2.46797E-02 2.82012E-01 4.12479E-06 ZN2 = ZG // ZGW = RN2 + XN2 = 0,086027 Ω/km + j 0,215764 Ω/km Ahora bien, a partir de que se conoce el valor de ZG de 1), y el valor de ZG // ZGW de 2), operando matemáticamente, se obtiene el valor de ZGW. ZGW = (ZG * (ZG // ZGW)) / (ZG – (ZG // ZGW)) = 1,084791 Ω/km + j 0,234736 Ω/km 3) Caso sin hilos de guardia y con cable OPGW Sequence Resistance Reactance Susceptance ohm/km ohm/km mho/km Zero : 2.31591E-01 7.83594E-01 2.85977E-06Positive: 2.49312E-02 2.80664E-01 4.12574E-06 ZN3 = ZG // ZOPGW = RN3 + XN3 = 0,068887 Ω/km + j 0,167643 Ω/km Procediendo de forma similar a lo anterior se tiene: ZOPGW = (ZG * (ZG // ZOPGW)) / (ZG – (ZG // ZOPGW)) = 0,385285 Ω/km + j 0,360691 Ω/km Resumiendo se tienen los siguientes valores para ZG, ZGW y ZOPGW.

ZG = 0,047545 Ω/km + j 0,253664 Ω/km ZGW = 1,084791 Ω/km + j 0,234736 Ω/km ZOPGW = 0,385285 Ω/km + j 0,360691 Ω/km Al solo fin de corroborar estos resultados, vamos a utilizar los parámetros obtenidos de asumir la línea completa, o sea con los hilos de guardia y con el cable OPGW, se tiene así: Sequence Resistance Reactance Susceptance ohm/km ohm/km mho/km

Zero : 2.68081E-01 7.10796E-01 3.06749E-06Positive: 2.57099E-02 2.80507E-01 4.15344E-06 ZN = ZG // ZGW // ZOPGW = RN + XN = 0,080790 Ω/km + j 0,143430 Ω/km Si partimos del caso 2), línea con hilos de guardia y sin cable OPGW se tiene: ZG // ZGW = 0,086027 Ω/km + j 0,215764 Ω/km Y procediendo en la forma ya mencionada, se tiene: ZOPGW = ((ZG // ZGW) * (ZG // ZGW // ZOPGW)) / ((ZG // ZGW) – (ZG // ZGW // ZOPGW)) ZOPGW = 0,385529 Ω/km + j 0,359664 Ω/km Este resultado es muy aproximado con el que fue calculado previamente y que era: ZOPGW = 0,385285 Ω/km + j 0,360691 Ω/km De esta forma se valida la metodología propuesta de determinar la impedancia del retorno por tierra para cada elemento que pudiera disponer una línea, hilos de guardia o cable OPGW a partir de los resultados obtenidos de los cálculos de parámetros de secuencia.

4.2 Determinación de la corriente de falla en el cable OPGW

A partir de los programas de cortocircuito, se dispone de la corriente total de falla en un determinado punto de la red como también de los aportes que conforman esta corriente. Si la falla se produce en un punto de la línea en estudio, cada aporte se deriva por su respectivo retorno por tierra, que como fue expresado previamente, resulta ser un paralelo de la tierra, los hilos de guardia y el cable OPGW. También se expuso, que debido a la presencia de las resistencias de puesta a tierra de las torres, esta corriente se va derivar (en la proximidad de la falla) casi en su totalidad por los hilos de guardia y el cable OPGW.

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Asumir esto, aunque no es exacto resulta en resultados conservadores al momento de evaluar la corriente que se derivará por el cable OPGW. Así de los resultados obtenidos en que: ZGW = 1,084791 Ω/km + j 0,234736 Ω/km ZOPGW = 0,385285 Ω/km + j 0,360691 Ω/km Se tiene así que: IOPGW = [(1 / ZOPGW) / [(1 / ZOPGW) + (1 / ZGW)]] * ICC IOPGW = [ZGW / (ZGW + ZOPGW)] * ICC Siendo ICC, el aporte de la corriente de cortocircuito que viene por la línea e IOPGW la magnitud de la corriente que retorna por el cable OPGW. Análogamente la componente de corriente que se deriva por los dos hilos de guardia resulta ser: IGW = [ZOPGW / (ZGW + ZOPGW)] * ICC Resolviendo va a resultar: IOPGW = (0,689 - j 0,120) * ICC = (0,700∠ -9,84º) ICC. IGW = (0,311 + j 0,120) * ICC = (0,333∠ 21,06º) ICC. De acuerdo a esto, la corriente que retorna por el cable OPGW es de un 70 % del aporte de la corriente de cortocircuito que viene por la línea. El cable OPGW a utilizarse es AACSR/AW SS-nF 58/44 y de acuerdo a la información provista por el fabricante soporta una corriente de cortocircuito de 20.6 kA durante 125 ms. De acuerdo a los estudios de cortocircuito realizados para Ezeiza, que es nodo más crítico, resulta una corriente de cortocircuito monofásico de 26080 A para un escenario horizonte 2007 – 2008. Así de acuerdo a lo expuesto, la corriente que se derivará por el cable OPGW para el caso de esta contingencia extrema, será de 26080 A * 0.70 = a 18260 A, valor este inferior a los 20600 A que dicho cable puede soportar durante 125 ms. Por lo tanto, se puede asegurar que el cable OPGW seleccionado, va a soportar térmicamente las corrientes de falla más exigentes que se pudieran presentar.

5 ANÁLISIS DE DISTANCIA ENTRE CABLE

OPGW Y LOS CONDUCTORES DE FASE.

Como referencia para este análisis se adopta la Norma VDE 0210/(12/85). En el Ítem 11.1 expresa “Los conductores bajo tensión deben estar a una distancia tal de los otros conductores dentro del mismo vano, que no sea probable el choque o un acercamiento entre ellos que produzca una descarga” Se tiene así que “para conductores del mismo material e igual sección y flecha, la distancia a en metros, entre conductores en situación de reposo y en la mitad del vano debe ser de por lo menos”:

Vn /150 + = a +klfk Donde f flecha máxima del conductor en metros lk longitud en metros de la cadena de aisladores oscilante, perpendicularmente a la dirección de la línea. k factor que depende de la posición de los conductores como del material y la sección de los mismos. Vn /150 valor mínimo de longitud de separación en metros que depende de la tensión, donde Vn es tensión nominal de la línea en kV. Para el caso de conductores de materiales y/o secciones y/o flechas diferentes, la determinación de la distancia mínima, se hará mediante la misma expresión, debiendo adoptarse los valores de k y f que resulten mayores. Para la línea bajo estudio se tienen las siguientes magnitudes: f = 12.00 metros (flecha máxima para el vano de mayor longitud, vano típico es de 380m) lk = 4.50 metros (longitud de la cadena de aisladores) k = 0.70 (surge de la norma VDE 0210/(12/85) mencionada)

150NV

= 3.40 metros.

La distancia mínima admisible a mitad del vano entre el cable OPGW y el conductor de fase en situación de reposo será:

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a = 6.25 metros, valor éste inferior a los 6.35 metros que va a ser la distancia entre los conductores mencionados. Por lo tanto, con la configuración adoptada para el tendido del cable OPGW, resulta en un diseño adecuado en cuanto a que no se presentarán descargas por acercamiento. 6 BIBLIOGRAFÍA

1) Alternative Transients Program – Rule Book 2) The Calculation of Short Circuit Currents in Overhead Ground Wires Using the EMTP/ATP Marco Polo Pereira, Paulo Cesar Vaz Esmeraldo International Conference on Power Systems Transients IPST 2001 3) Norma VDE 0210/(12/85). 4) Especificación Técnica del OPTICAL GROUND WIRE (OPGW) AACSR/AW SS-nF 58/44