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ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE CABLES AISLADOS DE LA LINEA DE TRANSMISIÓN 220 kV CARTAGENA-BOLIVAR 2

Autor/es: CRISTIAN CAMILO MENDOZA GROSSO - INGENIERO ELÉCTRICO

HÉCTOR GRAFFE - INGENIERO ELECTRICISTA Empresa o entidad: EMPRESA DE ENERGÍA DE BOGOTÁ ESP Cargos: Profesional Líneas Transmisión/Gerente de Ingeniería.

PALABRAS-CLAVE: Líneas de Transmisión Subterráneas, Cables de potencia, Transitorios Electromagnéticos, Modelamiento, monitoreo en tiempo real Código de Subtema: T3.1

DATOS DE LA EMPRESA Dirección: Carrera 9 No 73 - 44 Piso: 9 Código Postal: _______________ Telefono: 5713268000 Fax: _______________________ E-Mail: cmendoza@eeb.com.co

Deberá contener información (en toda la extensión) sobre:

EMPRESA DE ENERGÍA DE BOGOTÁ ESP COLOMBIA Identificación del trabajo: Bogotá 7 de agosto de 2017

El trabajo presenta el modelamiento de una línea de transmisión de 220 kV compuesta por un tramo subterráneo de 4 km y un tramo aéreo de 16 km, la cual hace parte de la expansión del sistema de transmisión colombiano. La metodología aplicada modela los parámetros eléctricos en líneas de alta tensión compuestas por tramos subterráneos y aéreos, el resultado del análisis de las inducciones generadas en las pantallas del cable subterráneo y su impacto en el sistema, para ello se modela en ATP/EMTP diferentes condiciones como la incidencia de una descarga atmosférica en el tramo aéreo, las sobretensiones generadas en el cable subterráneo y los transitorios generados durante las maniobras o recierres de la línea de transmisión.

A partir de los resultados de los análisis, se determinan los mecanismos de mitigación y protección frente a los eventos que pueden deteriorar y poner en riesgo la integridad del cable aislado de alta tensión, así como los mecanismos de monitoreo que permiten identificar eventos de falla de manera oportuna sin poner en riesgo la operación y disponibilidad de la infraestructura asociada.

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1. Introducción

Los transitorios asociados a un evento particular pueden generar formas de onda complejas que deben considerarse durante el diseño y operación de una línea de transmisión [1]; por ejemplo, un rayo que impacta en una de las fases de una línea que está compuesta por un tramo aéreo y uno subterráneo, incidirá sobre el nivel de confiablidad dependiendo de la magnitud y duración de la sobretensión. Este artículo presenta el análisis de condiciones particulares en la segunda línea Cartagena-Bolívar 220 kV, adjudicada a la Empresa de Energía de Bogotá S.A. E.S.P y proyectada para entrar en operación en el año 2017 [2], luego de ser adoptado en el Plan de Expansión de Referencia Generación y Transmisión 2012 [3], donde se define la construcción de una segunda línea entre las Subestaciones Cartagena y Bolívar basándose en un escenario de crecimiento de la demanda y una condición de contingencia en la línea existente que llegaría a comprometer uno de los enlaces entre las subestaciones el Bosque y Bolívar a partir del año 2018, como se muestra en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.

Figura 1 Segunda línea de transmisión Cartagena-Bolívar 220 kV propuesto dentro del plan de expansión 2012-2025 por la UPME

La segunda línea Cartagena-Bolívar 220 kV objeto de estudio en este artículo, tendrá una

longitud total de 19,78 km en circuito sencillo y debido a las particularidades que presenta el recorrido estará compuesta por un tramo aéreo de 15,78 km y uno subterráneo de 4 km como se muestra en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia..

Figura 2 Esquemático de la segunda línea Cartagena-Bolívar objeto de estudio en este artículo

Para llevar a cabo el análisis objeto de

este trabajo, es necesario calcular los parámetros de la línea de transmisión aérea y subterránea en función de la frecuencia, de manera que su representación sea acorde con el tipo de evento a evaluar, para lo que se utiliza ATP-EMTP como herramienta de simulación numérica, la cual permite representar los elementos de interés en este artículo a través de las rutinas Line Constants y Cable Constants [4].

La estructura de este artículo se divide en cinco partes, primero se determinan los parámetros eléctricos de la línea aérea y subterránea, la segunda parte presenta las impedancias de secuencia del cable junto con las tensiones y corrientes inducidas en condición de operación nominal, la tercera y cuarta parte del trabajo presenta un análisis de las sobretensiones generadas por el cierre y apertura de interruptores, así como un análisis de las sobretensiones generadas en las pantallas del cable por impacto de rayo en la estructura de transición aérea-subterránea. Finalmente, se describen los sistemas de monitoreo en tiempo real del cable subterráneo.

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2. Cálculo de parámetros eléctricos

3.1. Parámetros eléctricos del tramo de línea aérea

El tramo de línea aérea está compuesto por estructuras tipo torres en celosía y postes tubulares autosoportados con disposición para circuito sencillo, con dos subconductores por fase y dos cables de guarda. La longitud de la línea aérea es de 15,78 km con un vano promedio de 330 m y contempla la instalación de 28 Torres y 20 postes. Las características de los conductores utilizados en el proyecto se presentan en la Tabla 1.

Tabla 1 Características de los conductores y cables de guarda.

Conductor Diámetro [mm] Resistencia DC 20°

C [Ω/km]

AAAC 600 kcmil 37 hilos 6201 T81

22.63 0.11049

Aluminum Clad 7No.9 AWG

8.712 1.844

OPGW 11.9 1.05

Para llevar a cabo el cálculo de los

parámetros eléctricos en ATP-EMTP a través de la rutina Line Constants, se toman como datos de entrada la disposición física de las fases y los cables de guarda en las estructuras. Estos datos son recopilados y modelados como una línea de parámetros concentrados al considerar cada uno de los vanos como un modelo PI. La resistividad del terreno y los demás datos de entrada son tomados del plantillado y las mediciones realizadas en cada sitio de estructura.

Para este trabajo se realizan simulaciones de transitorios generados por impulsos y teniendo que la longitud de la línea es corta se construyeron 48 modelos LCC a partir de la geometría que presenta cada vano de manera que se considere el tiempo máximo que toma la primera reflexión garantizando una suficiente precisión en la determinación de las sobretensiones generadas [5].

Adicionalmente se determinó el radio interno y externo para considerar el efecto piel a 60 Hz en los conductores tomando como referencia la relación entre la 𝑅𝐴𝐶 𝑅𝐷𝐶⁄ [6] [7] y la resistencia de puesta a tierra se modela en función del valor obtenido con las

configuraciones en anillo de los electrodos de puesta a tierra década una de las estructuras.

Finalmente, con la longitud de cada vano del tramo de torres y postes se construyen las secciones de línea; como ejemplo se presentan en las Tabla 2 y Tabla 3 los datos de entrada ingresados en ATP para la torre T2 y el poste P42 de acuerdo con la siluetas presentadas en la Figura 3.

Tabla 2 Datos de entrada para las torres.

Fase/ Guard

a Tipo

Rin [cm]

Rext [cm]

Posición Horizontal

[m]

Posición vertical

[m]

Posición mitad vano [m]

A AAAC 600

kcmil

0.452 1.13 5.45 39.14 30.22

B 0.452 1.13 5.45 32.64 23.72

C 0.452 1.13 -5.45 35.89 26.97

CG1 AWG 7N°8

0.238 0.6 -5.45 44.44 39.05

CG2 OPGW 0.174 0.4356 5.45 44.44 39.05

Tabla 3 Datos de entrada para los postes.

Fase/ Guarda

Tipo Rin [cm]

Rext [cm]

Posición Horizontal

[m]

Posición vertical

[m]

Posición mitad vano

[m]

A AAAC 600

kcmil

0.452 1.13 0 27.50 20.26

B 0.452 1.13 0 24.30 17.06

C 0.452 1.13 0 21.10 13.86

CG1 AWG 7N°8

0.238 0.6 -2 30.00 26.00

CG2 OPGW 0.174 0.4356 2 30.00 26.00

Figura 3 Siluetas de estructuras T2 y P42

Utilizando el módulo de ATP “Line Check” se calculan los parámetros de la línea para la frecuencia de la red, seleccionando todas las secciones LCC y ajustando las fuentes que alimentan este arreglo solamente en los circuitos de las fases. En los cables de guarda

A

C

B

CG CG

A

C

B

CG1 CG2

4

Figura 4 Componentes del cable subterráneo

no se inyecta corriente dado que las impedancias en condición de operación nominal son generadas por la tensión existente en las fases. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 4.

Tabla 4 Parámetros eléctricos de la línea aérea

3.2. Descripción del tramo de línea Subterráneo

Dado que la conexión a la subestación Cartagena atraviesa parte del casco urbano, el proyecto contempla la instalación de un tramo subterráneo de 4015 m hasta alcanzar las afueras de la ciudad y continuar en su recorrido aéreo hasta la Subestación Bolívar a un nivel de tensión de 220kV. La capacidad de transporte nominal del circuito definida para el proyecto es de 1000 A y el objetivo del diseño es mantener este valor bajo las restricciones de temperatura generadas por el efecto joule en el conductor y su disipación a través del aislamiento, los ductos y el suelo. En el diseño se contempló la utilización de un conductor de Aluminio de sección transversal de 2000 mm² con aislamiento XLPE que tiene un límite térmico de 90 °C en estado estable, sin deteriorar sus propiedades.

La sección transversal del conductor utilizado en el proyecto se muestra en la Figura 3 y en la Tabla 5 se detallan las dimensiones de los elementos. Es importante resaltar que el conductor posee una pantalla de hilos de aluminio y una chaqueta o capa del mismo material que proporciona una barrera contra la humedad y garantiza un camino para las corrientes de corto circuito.

Tabla 5 Características del cable subterráneo

Durante su recorrido el cable presenta diferentes profundidades debido a las condiciones del terreno. El trazado definido ha considerado la utilización de perforación horizontal dirigida (PHD) y en algunos tramos excavación con zanja y cárcamo. Para los tramos de PHD y excavación con zanja, el cable será instalado en un arreglo de tubería de polietileno de alta densidad, mientras que para el tramo de cárcamo el cable será instalado sin tubería. La sección transversal, la longitud y la disposición del trazado se resumen en la Tabla 6.

Tabla 6 Disposición del cable en el trazado

Tramo Profundidad promedio

[m]

Longitud del tramo

[m] Disposición del tendido

Cárcamo 0.60 569.92

PHD 1 y

2 4.66 629/634

Excavación con zanja

2.73 1000.27

PHD 3 5.91 1180.49

Adicionalmente, es necesario establecer la conexión de la pantalla de hilos de aluminio y la chaqueta al sistema de puesta a tierra (SPT) de manera que se establezca un camino de circulación de la corriente en caso de falla. Sin embargo, el sistema de apantallamiento está sujeto a la inducción propia en condición de operación normal y cuando se presentan sobretensiones de maniobra o de impulso atmosférico. Por lo tanto, el sistema de puesta a tierra de las pantallas debe ser capaz de

Impedancia de sec positiva

[Ω/km]

Impedancia de sec cero [Ω/km]

Admitancia Shunt de sec

positiva [μF/km]

Admitancia Shunt de sec

cero [μF/km]

𝑅𝑆𝐸𝐶 + 𝑋𝑆𝐸𝐶 + 𝑅𝑆𝐸𝐶 0 𝑋𝑆𝐸𝐶 0 𝑌𝑆𝐸𝐶 + 𝑌𝑆𝐸𝐶 0

0.0552 0.3569 0.1958 1.1257 0.0121 0.0056

Número Elemento

Dimensión

[mm]

1 Conductor de Al

Diámetro

54.8

2 Semiconductor interno

Espesor

2.1

3 Aislamiento XLPE 23

4 Semiconductor exterior 1.5

5 Cinta obturante 1.56

6 Pantalla de hilos de Al

Diámetro

2.14

7 Cinta obturante

Espesor

1.56

8 Capa metálica 0.5

9 Cubierta exterior 4

1

2

3

5

4 6

8 9

7

5

limitar tanto la tensión como la corriente en inducida en estos tres escenarios.

Como primera medida, la limitación de la corriente inducida en la pantalla se consigue haciendo la conexión directa de la pantalla con la tierra física en la Subestación Cartagena y dejando abierto en el extremo de la transición; no obstante debe preverse la instalación de limitadores de sobretensiones (DPS) en el extremo de la transición, dado que la misma está expuesta a los efectos de descargas atmosféricas. Este esquema se presenta en la Figura 5.

Figura 5 Esquema de conexión inicial de las pantallas al SPT

Aún bajo éste esquema se presenta una tensión inducida que aumenta conforme se aleja del punto de conexión directa en la subestación Cartagena. Si se transponen las pantallas la suma vectorial de las tensiones inducidas idealmente llegaría a cero, esta técnica conocida como “cross-bonding” se aplica en las primeras cámaras de empalme y la conexión a tierra se da a través de DPS para limitar las sobretensiones junto con la corriente inducida debido a la alta impedancia del descargador en condición nominal de operación. Por otro lado, en la última cámara de empalme puede generarse una mayor tensión inducida debido a la longitud que presenta con respecto a las primeras cámaras de empalme, si se da una conexión directa se garantiza en este punto una tensión de 0 V así como una disminución de la tensión en el extremo de conexión a la estructura de transición. El esquema final se presenta en la Figura 6 donde la conexión equipotencial permite evacuar la corriente cuando ocurre una falla en este tramo.

Figura 6 Esquema de conexión final de las pantallas al SPT

3.3. Cálculo de parámetros de la línea Subterránea

Con las características del cable, su disposición y la definición del sistema de puestas a tierra (SPT), es posible calcular los parámetros eléctricos a través de un modelo de la línea subterránea en ATP-EMTP. Este proceso se divide en tres etapas:

1. Datos de entrada de la disposición física de los cables y materiales (permitividad, permeabilidad y resistividad)

2. Selección de un modelo para análisis 3. Selección de una rutina de cálculo

En el primer paso se modelaron 6 elementos LCC, de acuerdo con la disposición representada en la Figura 7. Cada elemento LCC contiene el arreglo geométrico y las características del cable, el cual para el ATP, está compuesto de tres capas básicas (núcleo, pantalla y chaqueta). La resistividad (ρ) y la permeabilidad magnética (μ) son datos del Aluminio, mientras que el aislamiento está caracterizado por el espesor entre cada capa conductora y el valor de permitividad relativa (ε). Sin embargo, el aislamiento XLPE posee una capa semiconductora interna y externa y la corrección de la permitividad está dada por la ecuación 1:

𝜀𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝜀𝑋𝐿𝑃𝐸 [ln(𝑟2 𝑟1⁄ )

ln(𝑏 𝑎⁄ )] (1)

Donde:

𝜀𝑋𝐿𝑃𝐸: Permitividad relativa del XLPE

S/E Cartagena

Estructura Transición

Empalmes

Conexión directa

DPS

1,2 km

0,8 km

0,8 km

1,2 km

Cross-bonding Conexión

directa

DPS Conexión

equipotencial

6

𝑟1 y 𝑟2: radio interno y externo del aislamiento incluyendo la capa semiconductora

𝑎 y 𝑏: radio interno y externo de la capa semiconductora

Por otro lado, dado que se considera la pantalla de hilos de aluminio como una sección tubular es necesario realizar una corrección del radio externo basándose en la ecuación 2:

𝑟3 = √𝐴𝑠

𝜋+ (𝑟2)2 (2)

Donde:

𝐴𝑠: Área de la pantalla de hilos de aluminio

𝑟2: Radio interno de la capa de hilos de aluminio

Los datos de entrada para el cable y la disposición en ATP se muestran en la Figura 7.

Figura 7 Modelo en ATP y datos de entrada para los cables subterráneos.

Para llevar a cabo el cálculo de los

parámetros eléctricos se realiza una verificación del modelo a través de la resistencia e inductancia a partir del siguiente desarrollo:

1. Resistencia DC a 20 °C para un conductor de hilos de aluminio de 2000 mm² de acuerdo con IEC 60228 [8] 0.0149 Ω/km.

2. Corrección por temperatura máxima de operación 90°C con 𝛼𝐴𝑙 = 4 ∗ 10−3 1/𝐾:

𝑅𝐷𝐶 90 = 𝑅20(1 + 𝛼(90°𝐶 − 20°𝐶)) = 0.019 Ω 𝑘𝑚⁄ (3)

3. Resistencia AC a temperatura máxima de operación 90 °C considerando factor de efecto piel 𝑦𝑠 y factor de proximidad 𝑦𝑝:

𝑅𝐴𝐶 90 = 𝑅𝐷𝐶 90(1 + 𝑦𝑠 + 𝑦𝑝) = 0.0195 Ω 𝑘𝑚⁄ (4)

4. Inductancia y reactancia del cable dispuesto en el arreglo de tubería:

𝐿 = 𝑘 + 0.2 ln (2𝑆

𝐷𝑐

) = 0.54493 𝑚𝐻 𝑘𝑚⁄ (5)

𝑋 =2𝜋𝑓𝐿

1000= 0.20544 Ω 𝑘𝑚⁄ (6)

5. Capacitancia del cable:

𝐶 =𝜀

18 ln(𝐷𝑒 𝐷𝑖⁄ )= 0.2216 𝜇𝐹 𝑘𝑚⁄ (7)

A través de la selección del modelo PI para el cálculo de parámetros y la rutina “cable parameters” se obtienen los resultados de las impedancias propias del cable a través de la herramienta Line Check de ATP los cuales se presentan en la Tabla 7, de donde es posible verificar que los valores resultantes están dentro de lo esperado.

Tabla 7 Impedancias propias cable calculadas con ATP

4. Tensiones y corrientes inducidas en las pantallas

Con la verificación de las impedancias propias del modelo implementado en ATP se construye un elemento que caracteriza las propiedades eléctricas del cable. Sin embargo, el cálculo de impedancias de secuencia en líneas subterráneas depende no solo de la construcción de este modelo si no de la implementación en el mismo del esquema de conexión de las pantallas al SPT, ya que la trasposición o la conexión directa a tierra

Empalmes

𝑍 = 𝑅 + 𝑗𝑋𝐿 𝐶

7

afectan los parámetros de impedancia de secuencia cero.

Para llevar a cabo el cálculo de impedancias de secuencia en ATP existen dos subrutinas “Cable Constants” (CC) [9] y “Cable Parameters” (CP) [10] ambas desarrolladas por Ametani y se diferencian en el tipo de datos de entrada, mientras que para “Cable Constants” se define el “cross-bonding” internamente con el número de secciones y la resistencia de puesta a tierra para cada una, la rutina “Cable Parameters” hace esta distinción de forma externa al manipular las pantallas desde ATP en forma circuital. En esta simulación se ha trabajado con la rutina “Cable Parameters” dado que todas las conexiones de las pantallas se construyen por fuera del modelo LCC.

La Tabla 8 resume las impedancias de secuencia determinadas por la herramienta “Line Check” a partir de los datos ingresados en ATP y el diagrama de circuito externo que realiza la conexión entre la pantalla de hilos de aluminio y la chaqueta, así como la transposición de las pantallas.

Tabla 8 Parámetros eléctricos de la línea subterránea

Elemento

Impedancia de sec positiva

[Ω/km]

Impedancia de sec cero [Ω/km]

Admitancia Shunt de sec

positiva [μF/km]

Admitancia Shunt de sec cero [μF/km]

𝑅𝑆𝐸𝐶 + 𝑋𝑆𝐸𝐶 + 𝑅𝑆𝐸𝐶 0 𝑋𝑆𝐸𝐶 0 𝑌𝑆𝐸𝐶 + 𝑌𝑆𝐸𝐶 0

Núcleo 0.019 0.188 0.556 1.536 0.206 0.212

Pantalla Al 0.118 0.112 0.315 1.672 6191.1 23.51

Chaqueta Al 0.157 0.110 0.331 1.677 4367.9 23.13

Dada la matriz de impedancias propias y mutuas construida con el modelo en ATP es posible conocer las tensiones y las corrientes inducidas en diferentes puntos del cable, particularmente en las cámaras de empalme y extremos. La Figura 8 muestra las tensiones y las corrientes inducidas cuando circula una corriente de 1000 A en condición de operación máxima nominal.

Figura 8 Tensiones y corrientes inducidas en condición de operación nominal

5. Transitorios asociados a maniobras

La simulación de los fenómenos asociados a las maniobras en sistemas de potencia busca predecir el comportamiento de las sobretensiones generadas por cierre y apertura de interruptores, con el fin de dimensionar los equipos y ajustar las protecciones de la línea de transmisión.

En líneas subterráneas, la simulaicón considera el cable como una carga LC conectada a una fuente de tensión ideal [11]. Inicialmente la capacitancia y la inductancia están descargadas y conectadas a la fuente a través de un interruptor; cuando el interruptor cierra, la tensión en la capacitancia no cambia instantáneamente; por lo tanto, se carga a través de la inductancia generando un transitorio. Luego de que el condensador alcance la tensión del sistema, la corriente en el inductor aumenta su valor hasta un máximo

18,57,65

116,4 119,1

7,24

1 2 3 4 5

Vin

duci

do

[V

]

0

24,24 25,6

14,07

29,32

1 2 3 4 5

Iind

uci

da

[A]

2 1

3 4

5

8

y dado que la corriente en el inductor no cambia instantáneamente, la tensión en el condensador continúa incrementándose, excediendo la tensión de la fuente hasta que la corriente en el inductor cruza por cero y comienza a descargarse el capacitor. Este comportamiento se implementa en el modelo construido en ATP energizando el cable desde la subestación Cartagena cuando el interruptor alcanza la tensión pico, los resultados se presentan en la Figura 9, alcanzando un valor de sobretensión de 1,38 p.u.

Figura 9 Sobretensión provocada por la energización del cable.

Bajo esta condición, la tensión inducida en

las pantallas presenta valores pico para la energización que difieren en cada tramo debido a su longitud y la conexión directa o no al SPT, como es el caso del “cross-bonding” utilizado en las primeras cámaras de empalme y la conexión directa en la Subestación Cartagena y en la tercera cámara de empalme. La Figura 10 muestra la diferencia de sobretensiones generadas en cada uno de los puntos mencionados. El comportamiento de la sobretensión no es suficiente para que los descargadores en las pantallas conectadas a través del “cross-bonding” actúen, sin embargo tiene una gran diferencia con respecto al presentado en los tramos directamente conectados a tierra, la duración de este evento es de 9ms.

Figura 10 Sobretensión inducida en las pantallas del cable debida a la energización del cable.

El comportamiento de la corriente que fluye

por las pantallas, contrario a la sobretensión generada por la energización, presenta valores mayores en los tramos conectados directamente al SPT y parte de la corriente inducida entre los tramos intermedios fluye hacia la tercera cámara de empalme, como se muestra en la Figura 11.

Figura 11 Comportamiento de la corriente inducida en las pantallas del cable debida a la energización del cable.

5.1. TRV y reencendido de interruptores

Cuando un cable de alta tensión se desconecta de la red, la energía almacenada puede tardar varios segundos en disiparse, debido a la baja resistencia del cable en comparación con la alta capacitancia. Este fenómeno es similar a la desconexión de un condensador. La corriente en un condensador idealmente adelanta a la tensión en 90°, por lo tanto, cuando se desconecta un condensador que está completamente cargado tiene una tensión en sus terminales de ±1 pu. La

(f ile articulo_energización_r1.pl4; x-v ar t) factors:offsets:

10,00E+00

v :FUENA 10,00E+00

v :SECA 10,00E+00

c:INTA -SECA 1000,00E+00

16 17 18 19 20 21 22 23[ms]

-20

20

60

100

140

180

220

260

*103

(f ile articulo_energización_r1.pl4; x-v ar t) v :DPCA v :CB1A v :CB2A v :DPTA v :PTRA

15 20 25 30 35 40[ms]-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

[V]

(f ile articulo_energización_r1.pl4; x-v ar t) c:DPCA -XX0024 c:CB1A -X0018A c:CB2A -X0016A

c:DPTA -X0001A c:PTRA -X0002A

15 20 25 30 35 40 45 50[ms]-300

-200

-100

0

100

200

300

[A]

Tensión nominal Sobretensión energización Corriente de la línea

48 Vpico en S/E Cartagena (directo al SPT) 2,1 kVpico en el 1er cross-bonding 1,8 kVpico en el 2do cross-bonding 16 Vpico en la 3ra cámara (directo al SPT) 1,8 kVpico en la Transición (directo al SPT)

273 Apico en S/E Cartagena (directo al SPT) 75 Apico en el 1er cross-bonding 119 Apico en el 2do cross-bonding 216 Apico en la 3ra cámara (directo al SPT) 80 mApico en la Transición (directo al SPT)

9

energía del condensador se descarga por lo general a través de una resistencia, sin embargo, el valor de la resistencia es bajo cuando se compara con la reactancia capacitiva y una desenergización completa de dicha capacitancia puede tomar mucho tiempo.

En una desconexión ideal e instantánea, la tensión en el lado de la fuente después de la apertura del interruptor continúa oscilando a frecuencia industrial con la misma magnitud que la que tenía antes de la apertura del interruptor. No obstante, del lado del cable, la energía almacenada por la capacitancia propia no se ha descargado y durante el tiempo que toma la separación de los contactos del interruptor, puede ocurrir un reencendido. La diferencia de tensión entre los terminales del interruptor se denomina TRV y debe considerarse dentro de las tensiones soportadas por los interruptores para evitar este fenómeno. Para el caso particular de la línea objeto de este trabajo, se analiza este transitorio cuando se presenta una falla a 100 m de la estructura de transición, tal como se muestra en la Figura 12. La Figura 13 presenta los resultados obtenidos en el interruptor de la Subestación Cartagena cuando da apertura a la fase en falla.

Figura 12 Falla monofásica simulada en ATP entre el tramo aéreo y subterráneo.

Este fenómeno genera una tensión de 2.36

p.u del lado del cable aislado y la diferencia de potencial entre los terminales del interruptor (TRV) de 3,07 p.u. Esto representa el peor escenario para el análisis y verificación de la tensión soportada por los contactos del interruptor.

Figura 13 Comportamiento del TRV generado por la apertura del interruptor ante una falla monofásica.

6. Análisis de transitorios asociados a impulsos eléctricos atmosféricos

El análisis de transitorios asociados a impulsos atmosféricos hace parte de los estudios que se llevan a cabo cuando parte de la línea posee un tramo aéreo y uno subterráneo. Para el caso particular del proyecto, un impacto de una descarga eléctrica atmosférica en la estructura de transición, puede propagarse a tierra a través de la estructura de transición, a través del cable de guarda o a través del sistema de apantallamiento del cable aislado, por lo tanto, la sobretensión generada por un impacto depende de la impedancia de la puesta a tierra, de la impedancia de la estructura de transición y de la impedancia del cable de guarda, por lo que para llevar a cabo éste análisis se consideró en el modelo la impedancia característica del poste de transición [12] dado que la conexión de las pantallas al sistema de puesta a tierra se da a través de esta estructura. De acuerdo con la ecuación 8, se calcula la impedancia característica en cada tramo en función del radio que presenta el poste de transición en cada sección:

𝑍𝑝𝑜𝑠𝑡𝑒 = 60 (ln2√2

𝑟− 2) (8)

La Figura 14 muestra el modelo implementado junto con la conexión de los descargadores de línea y de la pantalla unidos al poste de transición. El valor de puesta a tierra en esta conexión es de 0,32 Ω debido a

(f ile prueba_maniobra_R5.pl4; x-v ar t) v :INTSA v :INTCA

0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20[s]-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

[kV]

Falla monofásica

Tramo Subterráneo Tramo Aéreo

Tensión del lado de la SE Cartagena Tensión del lado del cable

10

la baja resistividad del suelo en donde se ubicará el poste. El primer análisis a implementar en ATP será un impacto directo en el poste de transición, para lo cual se utiliza una fuente de impulso de corriente 8/20 μs de 35 kA el cual corresponde a valores registrados en la zona con probabilidades acumuladas del 50%.

Figura 14 Diagrama de conexión en ATP para modelar la transición aéreo-subterránea.

El impulso que viaja a través del poste

genera una sobretensión entre los descargadores de las pantallas y tierra, que de no ser recortada representaría un esfuerzo al aislamiento en este tramo del cable. Estos resultados pueden evidenciarse en la Figura 15 cuando se deja abierta la conexión de las pantallas a la puesta a tierra del poste y cuando se realiza la conexión a través de los descargadores, los cuales limitan la tensión a 18 kV.

Figura 15 Tensión inducida en las pantallas cuando ocurre un impacto directo de una descarga atmosférica

en la estructura de transición. Línea roja sin DPS en pantallas. Línea azul con DPS en pantallas.

En el caso de una falla de apantallamiento, la primera barrera de mitigación es el DPS de las fases que recorta dicha tensión y es la que se induciría en primera instancia al sistema de apantallamiento. La Figura 16 muestra que aun cuando el DPS recorta la tensión generada en las fases, la tensión inducida en la pantalla, es casi 3,5 veces más grande que cuando el impacto ocurre en los cables de guarda; situación que corrobora la necesidad de utilizar DPS en las pantallas de los cables XLPE.

Figura 16 Tensión inducida en las pantallas cuando ocurre un impacto directo de una descarga atmosférica en una de las fases

7. Sistemas de monitoreo

Los sistemas de monitoreo en línea proporcionan una alerta temprana que minimiza los efectos negativos de una falla, reduciendo la indisponibilidad de los activos al permitir programar las salidas para evitar mayores consecuencias sobre los elementos del sistema. Bajo esta filosofía, en el tramo subterráneo de la segunda Línea Cartagena-Bolívar 220 kV, se implementan dos sistemas de monitoreo: descargas parciales y temperatura.

7.1. Monitoreo de Descargas Parciales

El aislamiento del cable es uno de los componentes que se interviene durante la construcción de los empalmes y terminales. A pesar de que este proceso es riguroso no deja de ser diferente al control de calidad en fabrica. Cuando se cuenta con un registro del

(f ile Impulso_con_DPS_f ases.pl4; x-v ar t) v :X0002A v :IN49A

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5[ms]-300

-100

100

300

500

700

[kV]

Descarga atmosférica

Modelo poste

Transición

DPS Pantallas

DPS fases

Tensión inducida en la pantalla sin DPS Tensión recortada por el DPS de la fase impactada

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comportamiento y evolución de las descargas a lo largo de todo el aislamiento del cable, no solamente defectos en los empalmes o terminales son monitoreados, incluso posibles defectos de fábrica son detectados a través de un sistema que localiza de forma automática a lo largo del cable las fuentes de descargas parciales. Este sistema se compone principalmente de tres elementos:

• Sistema de Análisis y Control (CAS)

• Sistema de Medida (MS)

• Transformadores de corriente de alta frecuencia. A través de los MS se adquieren las

medidas de las tres fases de las cámaras de empalme donde los transformadores de alta frecuencia están instalados. El procesamiento, sincronización y localización de las descargas se lleva a cabo en el CAS, el cual se compone básicamente de un computador y un sistema de sincronización. En la Figura 17 se muestra el esquema de medida implementado en el tramo subterráneo de la línea de Transmisión Cartagena-Bolívar 220kV.

Figura 17 Esquema del sistema de medición de descargas parciales

7.2. Monitoreo de Temperatura

La temperatura que se genera en el cable depende básicamente de la corriente definida por la condición operativa del sistema, la resistividad térmica de medio circundante, . Estos factores tienen un impacto directo en el rendimiento de la línea y establecen un perfil base de temperatura de operación a lo largo del cable. La ventaja de contar con un sistema de monitoreo en tiempo real radica en generar

alarmas una vez se detecten y localicen puntos calientes, de manera que el centro de control pueda tomar las medidas necesarias para evitar un daño mayor sobre la infraestructura, dentro de los límites de operación.

Adicionalmente, el sistema cuenta con modelos de predicción para optimizar de forma dinámica la potencia que puede transportarse en la línea durante condiciones de emergencia del sistema.

Para llevar a cabo la medición de temperatura utiliza el sistema DTS (Distributed Temperature Sensing) a través de fibras ópticas como sensores lineales. Estas fibras están embebidas dentro del cable en la parte externa del aislamiento XLPE y las señales son procesadas en este caso desde la Subestación Cartagena y las alarmas integradas al sistema SCADA de la EEB.

Figura 18 Gabinete de medición de descargas parciales e interfaz de monitoreo para una instalación típica con DTS. (Tomado de [13])

8. Conclusiones

La simulación precisa de un proceso transitorio requiere una representación rigurosa de cada componente, para el caso del tramo aéreo se implementó en ATP el modelo de cada uno de los vanos dado que se contaba con dos tipos de estructuras de manera que el error esperado en el cálculo de parámetros sea el mínimo.

Los datos de entrada al modelo en ATP no contemplan el aumento de resistencia por efectos térmicos por lo tanto es necesario incluir un factor que permita corregir la resistencia del núcleo a la temperatura de operación nominal.

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La pantalla de hilos de aluminio y la chaqueta son representadas en el modelo del cable para efectos de cálculo de parámetros eléctricos, sin embargo, para generar el modelo en alta frecuencia es necesario conformar estos dos elementos en uno solo se debido al tiempo de viaje de la onda que requeriría un paso de tiempo muy corto en la simulación.

La inducción en las pantallas del cable depende de la longitud de los tramos y el sistema de puesta a tierra seleccionado, ya que se genera un cambio de impedancia entre las conexiones que favorecen la disminución o el aumento de la tensión y la corriente inducida.

La apertura de la línea subterránea genera una sobretensión de 2.36 p.u. debido a que la capacitancia propia es muy grande en comparación con la resistencia del cable este fenómeno podría generar un reencendido entre los contactos del interruptor durante la maniobra.

Debido a la corta longitud de la línea una maniobra de apertura del interruptor en la Subestación Cartagena genera una mayor sobretensión que la energización del cable si este se encuentra previamente descargado.

El impacto directo de una descarga atmosférica generaría una mayor sobretensión y por lo tanto un mayor riesgo sobre las pantallas del cable que el impacto en la estructura de transición, debido a la baja resistencia de puesta a tierra que posee esta estructura.

9. Referencias

[1] Electric Power Research Institute (EPRI), EPRI

AC Transmission Line Reference Book - 200 kV and Above, Third Edition, Palo Alto, CA: EPRI, 2005.

[2] UPME Unidad de Planeación Minero Energética, «Ministeria de Minas y Energía de Colombia,» [En línea]. Available: http://www1.upme.gov.co/sites/default/files/ckeditor_files/documents/Noticias/2012/Documentos%20de%20Seleccion%20del%20Inversionista.pdf.

[3] Ministerio de Minas y Energía, Plan de Expansión de Referencia Generación - Transmisión 2012-2025, 2012.

[4] H. W. Dommel, EMTP Theory Book, Portland, Oregon: Bonneville Power Administration, 1995.

[5] Working Group C4.501 CIGRE, Guideline for Numerical Electromagnetic Analysis Method and its Application to Surge Phenomena, CIGRE, 2013.

[6] Ducluzaux, André; Schneider Electric, «Extra losses caused in high current conductors by skin and proximity effects,» Grenoble, 1983.

[7] H. B. Dwight, «Skin effect in tubular and flat conductors,» Trans. Am. Inst. Electr, vol. XXXVII, nº 2, p. 1379–1403, 1918.

[8] IEC, «Conductors of insulated cables,» International Electrotechnical Commission, Geneva, 2004.

[9] S. Meyer W., EMTP Rule Book, Bonneville Power Administration, 1984.

[10] A. Ametani, Cable Parameter Rule Book, Bonneville Power Administration., 1994.

[11] F. F. da Silva y C. Leth Bak, Electromagnetic Transients in Power Cables, London: Springer, 2013.

[12] G. Carrasco y A. R. Villa, «Lightning Performance of Transimission Line Las Claritas - Santa elena 230 kV,» de International Conference on Power Systems Transients, New Orleans, 2003.

[13] T&D World, «Taking the Temperature of a Cable System,» Taiwan Power Co.’s 345-kV substation deploys advanced real-time thermal rating., 23 05 2014. [En línea]. Available: http://www.tdworld.com/underground-td/taking-temperature-cable-system.

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