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Colección Apuntes
Apuntes de líneas y redes de alta tensión
Carlos Roldán Porta Carlos Roldán Blay
EDITORIAL UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA
Colección Apuntes
© Carlos Roldán Porta Carlos Roldán Blay
© 2016, de la presente edición: Editorial Universitat Politècnica de València www.lalibreria.upv.es / Ref.: 0427_06_01_01
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Impreso en España
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Índice
Prólogo ......................................................................................................................... 7
Capítulo 1. íneas de alta tensión............................................. 9
1.1 Elección de la tensión más adecuada............................................................ 9
1.2 Transporte y distribución ............................................................................ 10
1.3 Condiciones para el proyecto de la línea .................................................... 10
1.4 Clasificación de las líneas de alta tensión .................................................. 11
Capítulo 2. Elementos de las líneas de alta tensión ............................................. 13
2.1 Líneas subterráneas .................................................................................... 13
2.1.1 Cables aislados .................................................................................... 13
2.1.2 Empalmes y Terminales ...................................................................... 15
2.2 Líneas aéreas .............................................................................................. 19
2.2.1 Cables desnudos .................................................................................. 19
2.2.2 Aisladores y herrajes............................................................................ 20
2.2.3 Apoyos ................................................................................................. 27 2.2.3.1 Armados ............................................................................................... 36
2.2.4 Aparamenta .......................................................................................... 37
2.2.5 Puesta a tierra ....................................................................................... 39
2.2.6 Otros accesorios ................................................................................... 41
Capítulo 3. Instalación de las líneas ..................................................................... 45
3.1 Instalación de líneas subterráneas .............................................................. 45
3.1.1 Puesta a tierra de las armaduras ........................................................... 46
3.2 Instalación de líneas aéreas ........................................................................ 47
3.2.1 Selección del trazado ........................................................................... 47
3.2.2 Determinación de la posición y tipos de los apoyos ............................ 47
3.2.3 Comprobación de distancias de seguridad ........................................... 49
3.2.4 Comprobación de esfuerzos admisibles ............................................... 52
4
Capítulo 4. Cálculos eléctricos: parámetros eléctricos ....................................... 57
4.1 Introducción ............................................................................................... 57
4.2 Resistencia de las líneas ............................................................................. 58
4.3 Resistencia efectiva .................................................................................... 58
4.4 Inductancia ................................................................................................. 60
4.4.1 Expresión general del flujo concatenado en líneas eléctricas .............. 60
4.4.2 Inductancias de líneas monofásicas. .................................................... 65
4.4.3 Inductancia interna de un conductor circular macizo. ......................... 66
4.5 Inductancia aparente por fase de una línea trifásica ................................... 67
4.6 Influencia del conductor de retorno ............................................................ 69
4.7 Capacidad entre conductores ...................................................................... 69
4.7.1 Expresión general de la capacidad en líneas aéreas. ............................ 69
4.8 Conducción de corriente a través de los aislantes ...................................... 73
4.9 Campo eléctrico en la proximidad de un conductor ................................... 73
4.10 Efecto corona. Pérdidas por efecto corona ................................................. 76
Capítulo 5. Cálculos eléctricos: modelo eléctrico de la línea .............................. 79
5.1 Ecuaciones generales de las líneas eléctricas (Teoría de grandes líneas) ... 79
5.2 Cuadripolo equivalente ............................................................................... 81
5.3 Simplificación de las ecuaciones generales ................................................ 82
5.3.1 Régimen natural ................................................................................... 83
5.3.2 Línea ideal ........................................................................................... 84
5.3.3 Líneas adistorsionales (de Heaviside).................................................. 84
5.3.4 Líneas ideales de cuarto de onda y de media onda .............................. 84
5.4 Caída de tensión ......................................................................................... 85
5.5 Corriente admisible .................................................................................... 86
5.6 Transmisión de potencia con las líneas: el vector de Poynting .................. 90
5.7 Potencia transmitida según las ecuaciones del cuadripolo ......................... 90
5.7.1 Potencia transmitida en el régimen natural .......................................... 91
5.8 Potencia transmitida en líneas “cortas” ...................................................... 92
5.9 Pérdidas de potencia ................................................................................... 92
5.10 Regulación de tensión ................................................................................ 92
5
Capítulo 6. Puesta a tierra de apoyos ................................................................... 95
6.1 Condiciones generales ................................................................................ 95
6.1.1 Líneas de tierra .................................................................................... 95
6.1.2 Electrodos ............................................................................................ 95
6.2 Intensidad de defecto a tierra ...................................................................... 95
6.2.1 Efecto térmico de IT ............................................................................. 97
6.3 Tensiones a tierra........................................................................................ 98
6.4 Protección contra el efecto del rayo ........................................................... 99
Capítulo 7. Cálculos mecánicos en líneas aéreas ............................................... 101
7.1 Ecuación del cable tendido ....................................................................... 101
7.2 Vanos al mismo nivel ............................................................................... 103
7.3 Ecuación de cambio de condiciones para el caso de vanos a ongitud moderada .............................. ........................................ 103
7.4 Cambio de condiciones con la ecuación de la catenaria en vanos a nivel. 104
7.5 Análisis de vanos desnivelados ................................................................ 107
7.6 Cambio de condiciones en vanos a desnivel ............................................ 108
7.7 Tabla auxiliar de tendido .......................................................................... 110
7.8 Tablas de tendido...................................................................................... 112
7.9 Esfuerzos sobre aisladores y apoyos ........................................................ 112
7.10 Cimentaciones .......................................................................................... 113
Capítulo 8. Sobretensiones en líneas eléctricas ................................................. 115
8.1 Clasificación de sobretensiones ................................................................ 115
8.2 Transmisión de sobretensiones ................................................................. 116
8.3 Reflexión y refracción de ondas ............................................................... 117
8.4 Protección contra el rayo por apantallamiento ......................................... 120
8.4.1 Modelo electrogeométrico de los hilos de guarda ............................. 121
8.5 Descargadores de sobretensiones (pararrayos) ......................................... 122
8.5.1 Selección del pararrayos .................................................................... 123
Capítulo 9. Aparamenta eléctrica en líneas de alta tensión ............................. 125
9.1 Tipos de aparamenta ................................................................................. 125
9.1.1 Resumen de algunos conceptos generales ......................................... 125
6
9.1.2 Dispositivos básicos .......................................................................... 125
9.2 El problema del corte de corriente............................................................ 126
9.2.1 El arco eléctrico ................................................................................. 126
9.3 Corte de intensidad en corriente continua ................................................ 127
9.4 Corte de corriente en corriente alterna ..................................................... 129
9.4.1 Corte de corriente de cortocircuito .................................................... 130
9.4.2 Corte de circuitos capacitivos ............................................................ 131
9.4.3 Corte de corrientes débiles en cargas inductivas ............................... 132
9.4.4 Corte de corriente en falta kilométrica .............................................. 134
9.5 Técnicas de ruptura .................................................................................. 134
Capítulo 10. Cortocircuitos y protecciones. ....................................................... 139
10.1 Cálculo de corrientes de cortocircuito: consideraciones generales .......... 139
10.2 Corriente de cortocircuito ......................................................................... 139
10.3 Modelos de los elementos ........................................................................ 140
10.4 Cortocircuitos trifásicos ........................................................................... 142
10.5 Cortocircuitos asimétricos ........................................................................ 144
10.5.1 Expresiones para el cálculo en cortocircuitos asimétricos ................. 145
10.6 Cortocircuitos en redes muy malladas ...................................................... 146
10.7 Protecciones en alta tensión ..................................................................... 147
10.8 Transformadores de medida y de protección ............................................ 147
10.9 Acondicionamiento de la señal ................................................................. 148
10.10 Procesamiento de la señal: relés ............................................................... 149
10.10.1 Representación esquemática de los relés ........................................... 152
10.11 Reconexiones ........................................................................................... 152
ANEXO. Transformaciones útiles para cálculos de cortocircuitos ... ........... 153
A.1 Divisor de intensidades ..................................... ....................................... 153
A.2 Paralelo de dos impedancias ............................................... ...................... 153
A.3 Conversión de impedancias en estrella a triángulo y viceversa ..... .......... 153
A.4 Transformación en componentes simétricas .............................. .............. 154
Bibliografía .............................................................................................................. 155
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Prólogo
Las líneas de alta tensión permiten el suministro de energía eléctrica a los consumidores, facilitando su trabajo por medio de una energía limpia y fácil de usar y haciendo posibles una gran cantidad de servicios y comodidades que han entrado a formar parte de nuestra actividad consuetudinaria. Para lograr su objetivo con alta fiabilidad, las líneas tejen una intrincada tela de araña, uniendo todos los centros de generación de energía eléctrica con todos los núcleos de consumidores, lo que constituye la red eléctrica de potencia de cada país (en realidad, actualmente las redes eléctricas tienen una extensión supranacional). Con este libro se pretende iniciar al lector en el conocimiento de este gran sistema eléctrico, comenzando por su eslabón básico: la línea eléctrica.
Se presentan, en primer lugar, los elementos que forman parte de dichas líneas, para avanzar, posteriormente, en todos los aspectos relativos al proyecto de estas, exponiendo los métodos de cálculo actuales, facilitando al lector la comprensión de los fundamentos físicos y su aplicación tecnológica, dotándole así de una capacidad de análisis que le permita la toma de decisiones razonada, lejos de lo que podría lograrse con un simple formulario.
El estudio de las líneas de alta tensión forma parte de la formación específica que el ingeniero especializado en electricidad debe tener. En consecuencia, el libro parte de la suposición de que el lector está familiarizado con conceptos generales de ingeniería eléctrica (teoría de circuitos, instalaciones de baja tensión, máquinas eléctricas, etc). Se supone, también, una buena formación en matemáticas aplicadas a la ingeniería. A partir de estos conocimientos básicos, el libro construye toda su teoría tratando de alcanzar el objetivo propuesto de preparar al alumno para el proyecto de estas estructuras eléctricas de gran importancia para el desarrollo de cualquier país.
Las líneas eléctricas de alta tensión son objeto de normalización para garantizar su correcto funcionamiento y seguridad, debiendo cumplir con lo prescrito en el Reglamento de Líneas de Alta Tensión (RLAT, R.D. 223/08 de 15 de febrero), al que se hace referencia de forma recurrente a lo largo del texto. Muchos de los aspectos tratados en este reglamento y en numerosas normas UNE son expuestos en el libro, acompañados de métodos de cálculo o comentarios. Teniendo en cuenta la limitación temporal que los actuales planes de estudio establecen para el desarrollo de las asignaturas, en otras ocasiones se remite al lector al reglamento citado para que amplíe la información del libro, sobre todo en aquellos casos en que los aspectos complementarios no tratados no ofrecen dificultad tras haber entendido los fundamentos expuestos.
Con esta publicación, los autores creemos que ponemos al alcance del alumno una buena obra de estudio, en la que se ha tratado de concretar y resaltar los aspectos más importantes de la materia, sin perder generalidad, de manera que su desarrollo sea posible en el tiempo limitado de que se dispone actualmente en las asignaturas.
Los autores
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Capítulo 1. Introducción a las líneas de alta tensión
1.1 Elección de la tensión más adecuada La tensión más adecuada para realizar el transporte de una cierta potencia eléctrica
depende de varios factores. En primer lugar se trata de un problema de optimización económica. Los costes del transporte incluyen dos sumandos: costes fijos (amortización del coste de las infraestructuras necesarias) y costes de explotación (mantenimiento y coste de la energía que se pierde, principalmente).
Las pérdidas de potencia por efecto Joule (principal sumando del total de pérdidas) por MW transportado, para una línea de sección de conductor fija, son directamente proporcionales a la longitud y a la potencia servida e inversamente proporcionales al cuadrado de la tensión.
Para una cierta distancia, los costes fijos aumentan con la tensión, mientras que los costes de explotación disminuyen con ésta, al ser menores las pérdidas de potencia. De manera que las gráficas resultantes del coste por MW transportado serán como las siguientes:
Figura 1.1. Curvas de coste por MW transportado (elaboración propia)
La curva P1 corresponde a una línea con una potencia transportada P1. Para una línea similar, de igual longitud pero mayor potencia a transportar (P2), la curva resultante sería la indicada con P2, ya que los costes de explotación crecen más que los de instalación.
Representando el coste del transporte (M€/MW) para una línea de 200 km y otra de 500 km, utilizando como parámetro la tensión, resultan curvas como las mostradas a continuación. Estas curvas indican la relación entre gran potencia y gran longitud.
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Figura 1.2. Curvas de coste por MW transportado en función de la tensión y la longitud(elaboración propia)
Actualmente, las líneas de 220 kV se utilizan en el rango de 200 a 400 MVA y para potencias superiores (entre 700 MVA y 1000 MVA) se utilizan 400 kV.
Otro aspecto que determina la tensión de una línea es el valor normalizado que se debe adoptar para la tensión.
Por último, la función de la línea dentro del sistema eléctrico en el que se va a integrar determina, en muchas ocasiones, la tensión a la que funcionará.
1.2 Transporte y distribución Actualmente en España las líneas de 220 kV y 400 kV constituyen básicamente la red
de transporte, propiedad de REE. También algunas líneas de 132 kV se integran en dicha red, debido a su importancia para el funcionamiento de esta. Las líneas de tensiones inferiores pertenecen a empresas distribuidoras o, en ocasiones puntuales, son líneas privadas.
La tensión de la línea condiciona:
- Los elementos que se utilizarán en ella.- Su tipología (fases simples o múltiples, conductor de guarda, etc.).- La repercusión ambiental. - La capacidad de transporte, etc.
1.3 Condiciones para el proyecto de la línea Las líneas de alta tensión se deben proyectar de acuerdo a las exigencias del RLAT
(Reglamento de Líneas de Alta Tensión, RD 233/08 de 15de febrero). En él se fijan las condiciones adecuadas para un funcionamiento seguro: caídas de tensión, secciones admisibles, puestas a tierra, etc.
Además, las líneas que vayan a integrarse en una red propiedad de una compañía eléctrica deben cumplir las normas particulares que dicha compañía tenga publicadas en diarios oficiales.
Les afectan también las normas urbanísticas de los municipios por los que discurren, la legislación autonómica, la legislación que les afecte por proximidad a vías de comunicación (carreteras, ferrocarriles, etc.) y la legislación ambiental.
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1.4 Clasificación de las líneas de alta tensión Dentro del concepto general de alta tensión (U > 1 kV en corriente alterna),
tradicionalmente se han hecho divisiones. Aquí se utilizará la siguiente:
- Media tensión (MT): U 45 kV- Alta tensión (AT): 45 < U < 220 kV - Muy alta tensión (MAT): 220 kV U
Las tensiones nominales admitidas para las redes son (en kV): 3, 6, 10, 15, 20, 25, 30, 45, 66, 110, 132, 150, 220 y 400. De éstas, las tensiones preferentes son 20, 66, 132, 220 y 400 kV. Para las líneas aéreas, el Reglamento de Líneas Aéreas de Alta Tensión establece cuatro categorías:
- 3ª Categoría 1 < U 30 kV - 2ª Categoría 30 < U 66 kV- 1ª Categoría 66 < U < 220 kV- Categoría especial U 220 kV (y todas las de transporte).
Aunque los conceptos que se expondrán son válidos, en general, para todas las líneas de alta tensión, se hará más hincapié en los elementos correspondientes a Media Tensión (3ª y 2ª categorías). Las condiciones relativas a líneas de categoría especial pueden consultarse en el RLAT (Reglamento de Líneas de Alta Tensión).
Aunque las líneas de alta tensión en corriente continua (para transporte ferroviario, enlaces submarinos, etc.) no constituyen un porcentaje importante del total, es necesario hacer referencia a ellas porque la tendencia puede ser a una mayor utilización de esta tecnología en el futuro.
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Capítulo 2. Elementos de las líneas de alta tensión
2.1 Líneas subterráneas En estas líneas se utilizan cables aislados junto con accesorios adecuados para ellos.
2.1.1 Cables aislados
En alta tensión (U >1 kV) se emplean cables aislados de aislamiento seco (antiguamente de papel impregnado con aceite). Su estructura puede verse en la Figura 2.1. En esta figura se muestra en la parte superior izquierda la estructura de un cable típico de campo radial con un solo núcleo, conductor cableado y aislamiento XLPE. En la parte superior derecha se puede ver la estructura de un cable con tres núcleos redondos, cableados, aislamiento XLPE y relleno de caucho (campo radial). En la parte inferior se muestra un cable de energía con tres conductores de forma sectorial cableados, de naturaleza más compacta que los cables convencionales de núcleos redondos.
Figura 2.1. Estructuras de cables (revista ITT año 1985)
Los cables con aislamiento seco, a base de polietileno reticulado (XLPE) o goma de etileno-propileno (EPR) son los utilizados en la actualidad. Como conductor se utiliza normalmente el aluminio (por su menor precio) pero en ambientes agresivos puede emplearse el cobre. Cada conductor unipolar dispone de una corona de alambres de cobre con contraespira de cinta de cobre formando una armadura sobre el aislamiento. Tanto sobre el conductor como bajo la armadura hay unas capas finas de material parcialmente conductor (polietileno con grafito por ejemplo) para crear una superficie lisa y conseguir un campo radial. La cubierta normalmente es de materiales plásticos como el PVC, poliolefinas u otros materiales adecuados que presenten suficiente resistencia al medio (abrasión, radiación solar,…) e impidan la entrada de agua.
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El XLPE posee mejores características como aislante, por lo que se emplea en toda la gama de tensiones (hasta 500 kV). Sin embargo, es muy sensible a la contaminación por otros elementos y, en particular, a la entrada de agua, la cual es absorbida por este material, formando pequeñas grietas (arborescencias) que acaban produciendo el fallo (Figura 2.2), por lo que es muy importante que tanto la cubierta como los terminales extremos sellen completamente el aislamiento e impidan la entrada de agua.
La goma EPR de alto módulo (HEPR) se utiliza en tensiones intermedias. Es menos sensible a las impurezas.
Figura 2.2. Fallo de aislamiento por arborescencia por agua (Martin German-Sobek et al., Starnutie Elektroizolacných Systémov 2013)
También se han empleado mucho en AT los cables de aislamiento en papel impregnado en aceite (RS), principalmente del tipo no migrante (NM). En éstos, la armadura adopta la forma de tubería continua, (normalmente de plomo) para sellar el aislamiento y evitar la salida del aceite. Aunque actualmente no se instalan, existen muchos km de este tipo de cables enterrados en las ciudades.
Figura 2.3. Cable unipolar (izquierda) y tripolar (derecha) RS-NM (catálogo Pirelli)
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