ANALISIS DE LA INDUCCION ELECTROMAGNETICA DE LINEAS DE TRANSMISION SOBRE DUCTOS SUBTERRANEOS

(1)

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD PROFE“IONAL ADOLFO LÓPEZ MATEO“

“ANÁLISIS DE LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN SOBRE

DUCTOS SUBTERRÁNEOS”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN:

PABLO ALEJANDRO CORONA MARTÍNEZ

APOLO RAMOS ALFARO

KARLA SALINAS REYES

ASESORES:

M. EN C. CARLOS TEJADA MARTÍNEZ

M. EN C. ARTURO PALACIOS LOPEZ

(2)

(3)

Análisis de la inducción electromagnética de líneas de transmisión sobre ductos metálicos

Resumen i

R

ESUMEN

En esta tesis se presenta un análisis de la inducción electromagnética de líneas de transmisión sobre poliductos metálicos subterráneos. Dicho análisis se realizó con el objetivo de obtener las tensiones inducidas en ductos metálicos que comparten el derecho de vía de las líneas de transmisión de energía eléctrica de corriente alterna, considerando que dichas tensiones sean producidas por la operación en estado estable de la línea, así como por fallas de cortocircuito. Para la realización de éste análisis, se utiliza el programa ATP (AlternativeTransientProgram), los resultados obtenidos de las simulaciones en dicho programa, se analizan con el fin de observar el comportamiento de los niveles de tensión inducida considerando los distintos casos de operación: en condiciones normales, en condiciones de falla trifásica, en condiciones de falla bifásica y en condiciones de falla monofásica y en base a los resultados obtenidos, analizar si las tensiones inducidas que ponen en riesgo la vida útil de los ductos.

Para reducir las tensiones inducidas en los ductos subterráneos, se realizó una propuesta de solución, la cual considera como medida de mitigación la implementación de hilos de blindaje debajo de las líneas de transmisión.

En el presente trabajo de tesis se hicieron simulaciones para líneas de transmisión de 230 kV y 400 kV; en ambos casos, la máxima tensión inducida alcanzada es en la condición de operación de falla monofásica (264 V y 742 V respectivamente), razón por la cual se utiliza este caso de operación para su análisis considerando la utilización de la medida para la disminución de la tensión propuesta, los resultados obtenidos de esta simulación se comparan con una línea operando en condiciones de falla monofásica que no cuenta con hilos de blindaje; las tensiones se reducen considerablemente en ambos casos (190 V y 633 V respectivamente).

(4)

Índice General ii

Í

NDICE

Resumen ... i

Índice ... ii

Índice de Figuras ... v

Índice de Tablas ... viii

Glosario de Términos y Abreviaturas ... ix

Introducción ... x

Justificación ... xi

Objetivos ... xii

Capítulo I. “Líneas de Transmisión” 1.1 1.2 1.3 Conceptos básicos de Líneas de Transmisión ... 2

Generalidades de las líneas de transmisión ... 2

1.2.1 Transposición ... 9

Parámetros de Líneas de Transmisión ... 10

1.3.1 1.3.2 1.3.3 Elementos principales de una línea de transmisión ... 10

Herrajes para líneas de transmisión... 10

Elementos constitutivos de la cadena de aisladores ... 10

Capítulo II. “ Inducción Electromagnética y Corrosión de Ductos Metálicos” 2.1 Inducción Magnética ... 12

2.2 Campos electromagnéticos producidos por líneas de transmisión ... 12

2.3 Corrosión ... 13

2.4 Protección Catódica... 14

2.5 Corrosión por suelos... 15

2.5.1 Consideraciones de diseño para la protección catódica en ductosenterrados ... 15

2.6 Efectos de líneas de transmisión de energía de corriente alterna en alta tensión hacia tuberías enterradas ... 16

(5)

Índice General iii

Capítulo III. “Modelado y simulación de la inducción magnética en ductos metálicos”

3.1 Simulación de las líneas de transmisión utilizando el programa ATP . 20

3.2 Torre de transmisión autosoportada tipo 2R2 de 230 kV (dos circuitos) ..21

3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 Datos de la línea a ser simulada ... 22

Caso 1. Torre de transmisión de 230 kV en condiciones normales de operación Caso 2. Torre de transmisión de 230 kV operando con una falla trifásica Caso 3. Torre de transmisión de 230 kV operando con una falla bifásica Caso 4. Torre de transmisión de 230 kV operando con una falla monofásica ... 24

... 26

... 28

... 30

3.3 Torre de transmisión autosoportada tipo A de 400 kV (un circuito) ... 33

3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 Datos de la línea a ser simulada ... 33

Caso 1. Torre de transmisión de 400 kV en condiciones normales de operación Caso 2. Torre de transmisión de 400 kV operando con una falla trifásica Caso 3. Torre de transmisión de 400 kV operando con una falla bifásica Caso 4. Torre de transmisión de 400 kV operando con una falla monofásica ... 36

... 38

... 40

... 42

3.4 Análisis de resultados de las tensiones inducidas en el ducto metálico subterráneo en distintas condiciones de operación ... 44

Capítulo IV. “Estrategia de solución para las tensiones inducidas en los ductos metálicos subterráneos” 4.1 4.2 4.3 4.4 Introducción ... 47

Medidas de disminución de la tensión... 47

Estrategia de solución ... 47

Torre de transmisión autosoportada tipo 2R2 de 230 kV (dos circuitos) ..48

4.4.1 4.4.2 Prueba para encontrar la altura más apropiada de los hilos de blindaje de una torre de transmisión de 230 kV Prueba para encontrar la separación más apropiada de los hilos de blindaje de una torre de transmisión de 230 kV ... 49

(6)

Índice General iv 4.4.3 Comparación en dos condiciones distintas de

operación de la línea de transmisión de 230 kV ... 52

4.5 Torre de transmisión autosoportada tipo A de 400 kV (un circuito) ... 56

4.5.1 Prueba para encontrar la altura más apropiada de los hilos de blindaje de una torre de transmisión de 400 kV ... 56

4.5.2 4.5.3 Prueba para encontrar la separación más apropiada de los hilos de blindaje de una torre de transmisión de 400 kV Comparación en dos condiciones distintas de operación de la línea de transmisión de 400 kV ... 58

... 60

4.6 Análisis de resultados de la medida de mitigación propuesta ... 74

Capítulo V. “Conclusiones” 5.1 5.2 5.3 Conclusiones ... 67

Recomendaciones para trabajos futuros ... 68

Comparación con otros trabajos ... 68

Referencias ... 69

Anexo A ... 70

Anexo B ... 74

(7)

Índice de Figuras v

Í

NDICE DE

F

IGURAS

Figura 1.1. Torre Reticulado de Acero ... 3

Figura 1.2. Torre de Hormigón ... 4

Figura 1.3 Torre de suspensión con pórtico de hormigón ... 4

Figura 1.4. Poste de hormigón ... 5

Figura 1.5. Torre de retención ... 6

Figura 1.6. Torre de suspensión o arriendada (económica) ... 7

Figura 1.7. Base de la torre para la colocación de la tierra física ... 8

Figura 1.8. Detalle A de la base de la torre... 8

Figura 1.9. Detalle B de la base de la torre... 9

Figura 3.1. Torre de transmisión autosoportada tipo 2R2 de 230 kV (dos circuitos) ... 21

Figura 3.2. Datos de la torre de transmisión de 230 kV... 22

Figura 3.3. Distancias de la torre de transmisión de 230 kV ... 23

Figura 3.4. Datos de la fuente de tensión ... 23

Figura 3.5. Valores del interruptor de tensión controlada ... 24

Figura 3.6. Torre de transmisión de 230 kV en paralelo con un ducto subterráneo, operando en condiciones normales ... 25

Figura 3.7. Tensión en el nodo emisor y receptor de la torre de transmisión de 230 kV ... 25

Figura 3.8. Tensión inducida en el ducto, considerando que la línea de 230 kV opera en condiciones normales. ... 26

Figura 3.9. Torre de transmisión de 230 kV, en paralelo con un ducto subterráneo, considerando que existe una falla trifásica en la línea. ... 26

Figura 3.10. Tensión en el nodo emisor de la torre de transmisión de 230 kV ... 27

Figura 3.11. Tensión en el nodo receptor de la torre de transmisión de 230 kV ... 27

Figura 3.12. Tensión inducida en el ducto, considerando la existencia de una falla trifásica en la línea de 230 kV. ... 28

Figura 3.13. Torre de transmisión de 230 kV, en paralelo con un ducto subterráneo, considerando que existe una falla bifásica en las fases B y C ... 28

Figura 3.14 Tensión en el nodo emisor de la torre de transmisión de 230 kV ... 29

Figura 3.15. Tensión en el nodo receptor de la torre de transmisión de 230 V ... 29

Figura 3.16. Tensión inducida en el ducto, considerando la existencia de una falla bifásica entre las fases B y C. ... 30

Figura 3.17. Torre de transmisión de 230 kV, en paralelo con un ducto subterráneo, considerando que existe una falla monofásica en la fase A. ... 30

Figura 3.18. Tensión en el nodo emisor de la torre de transmisión de 230 kV ... 31

Figura 3.19. Tensión en el nodo receptor de la torre de transmisión de 230 kV ... 31

Figura 3.20. Tensión inducida en el ducto, considerando la existencia de una falla monofásica en la fase A. ... 32

Figura 3.21. Torre de transmisión autosoportada tipo A de 400 kV (un circuito) ... 33

Figura 3.22. Datos de la torre de transmisión de 400 kV... 34

Figura 3.23. Distancias de la torre de transmisión de 400 kV ... 34

Figura 3.24. Parámetros utilizados en la simulación de la fuente ... 35

Figura 3.25. Valores considerados en el interruptor de tensión controlada ... 35

(8)

Índice de Figuras vi

normales.

Figura 3.27. Tensión en el nodo emisor y receptor de la torre de

transmisión de 400 kV ... 37 Figura 3.28. Tensión inducida en el ducto, considerando que la

línea de 400 kV opera en condiciones normales. ... 37

Figura 3.29. Torre de transmisión de 400 kV, en paralelo con un ducto subterráneo, considerando que existe una falla trifásica en la línea.

... 38

Figura 3.30. Tensión en el nodo emisor de la torre de transmisión de 400 kV ... 38 Figura 3.31. Tensión en el nodo receptor de la torre de transmisión de 400 kV ... 39 Figura 3.32 Tensión inducida en el ducto, considerando la

existencia de una falla trifásica en la línea de 400 kV. ... 39 Figura 3.33. Torre de transmisión de 400 kV, en paralelo con un

ducto subterráneo, considerando que existe una falla bifásica en las fases A y C.

... 40

Figura 3.34. Tensión en el nodo emisor de la torre de transmisión de 400 kV ... 40 Figura 3.35. Tensión en el nodo receptor de la torre de transmisión de 400 kV ... 41 Figura 3.36. Tensión inducida en el ducto, considerando la

existencia de una falla bifásica entre las fases A y C. ... 41 Figura 3.37 Torre de transmisión de 400 kV, en paralelo con un

ducto subterráneo, considerando que existe una falla

monofásica en la fase A ... 42 Figura 3.38. Tensión en el nodo emisor de la torre de transmisión de 400 kV ... 42 Figura 3.39. Tensión en el nodo receptor de la torre de transmisión de 400 kV ... 43 Figura 3.40. Tensión inducida en el ducto, considerando la

existencia de una falla monofásica en la fase A. ... 43 Figura 3.41. Tensiones en la línea de transmisión de 230 kV,

considerando distintas condiciones de operación. ... 44 Figura 3.42. Tensiones en la línea de transmisión de 400 kV,

considerando distintas condiciones de operación. ... 45 Figura 4.1. Alturas de los hilos de blindaje en una torre de

transmisión de 230 kV. ... 49 Figura 4.2. Gráfica de comparación de Vpico para elegir la altura

más adecuada de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 230 kV.

... 50

Figura 4.3. Separación de los hilos de blindaje en una torre de

transmisión de 230 kV. ... 51 Figura 4.4. Gráfica de comparación de Vpico para elegir la

separación más adecuada de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 230kV.

... 52

Figura 4.5. Comparación de una línea con hilos de blindaje y una línea sin hilos de blindaje considerando condiciones normales de operación.

... 53

Figura 4.6. Gráfica de comparación de Vpico considerando una línea de transmisión en condiciones normales.

... 54

Figura 4.7. Comparación de una línea con hilos de blindaje y una línea sin hilos de blindaje en condiciones de falla monofásica.

... 55

Figura 4.8. Gráfica de comparación de Vpico considerando una línea de transmisión operando en condiciones de falla monofásica.

... 56

Figura 4.9. Alturas de los hilos de blindaje en una torre de

(9)

Índice de Figuras vii

Figura 4.10. Gráfica de comparación de Vpico para elegir la altura más adecuada de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 400 kV.

... 58

Figura 4.11. Separación de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 400 kV. ... 58

Figura 4.12. Gráfica de comparación de Vpico para elegir la separación más adecuada de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 400 kV. ... 59

Figura 4.13. Comparación de una línea con hilos de blindaje y una línea sin hilos de blindaje considerando condiciones normales de operación. ... 60

Figura 4.14. Gráfica de comparación de Vpico considerando una línea de transmisión en condiciones normales. ... 61

Figura 4.15. Comparación de una línea con hilos de blindaje y una línea sin hilos de blindaje en condiciones de falla monofásica. ... 62

Figura 4.16. Figura 4.17 Figura 4.18 Gráfica de comparación de Vpico considerando una línea de transmisión operando en condiciones de falla monofásica. Torre de transmisión autosoportada tipo 2R2 de 230 kV (dos circuitos) con un conductor de blindaje a la altura y distancia horizontal adecuadas. Torre de transmisión autosoportada tipo A de 400 kV (un circuito) con un conductor de blindaje a la altura y distancia horizontal adecuadas. ... 63

………..64

………..65

(10)

Índice de Tablas viii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 3.1. Tensiones inducidas en el ducto metálico ... …….44

Tabla 4.1. Características del conductor de cobre desnudo ... 48

Tabla 4.2. Valores de la tensión máxima inducida a distintas alturas de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 230 kV ...50

Tabla 4.3. Valores de la tensión máxima inducida a distintas separaciones de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 230 kV ………….…….51

Tabla 4.4. Valores de la comparación de la tensión máxima inducida en el ducto considerando condiciones normales de operación ... 53

Tabla 4.5. Valores de la comparación de la tensión máxima en el ducto en condiciones de falla monofásica ... 55

Tabla 4.6. Valores de la tensión máxima inducida a distintas alturas de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 400 kV ... 57

Tabla 4.7. Valores de la tensión máxima inducida a distintas separaciones de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 400 kV ... 59

Tabla 4.8. Valores de la comparación de la tensión máxima inducida en el ducto considerando condiciones normales de operación ... 61

Tabla 4.9. Valores de la comparación de la tensión máxima en el ducto en condiciones de falla monofásica ... 62

Tabla 4.10. Instalación óptima de conductores de blindaje ... 63

Tabla B.1. Niveles de tensión utilizados en la línea de transmisión ... 74

Tabla B.2. Calibres de los conductores de la línea de transmisión ... 74

Tabla B.3. Características generales de conductores de 1113 kCM ACSR ... 76

(11)

Glosario de Términos y Abreviaturas ix

GLOSARIO DE TÉRMINOS Y ABREVIATURAS

ATP: ACSR: A: cm: CA: �: EMTP: f.e.m.: Hz: kCM: kg: km: kV: m: mm: mm2_:

ms: µs: NACE: NOM: Ω/m: s: t: UNE: AlternativeTransientProgram

Aluminum Conductor Steel Reinforced (Cable de aluminio con refuerzo central de acero)

Amperes Centímetros Corriente Alterna

Densidad de flujo magnético ElectromagneticTransientProgram Fuerza electromotriz

Hertz

Kilo Circular Mil kilogramo Kilómetro Kilovolt Metro Milímetro Milímetro cuadrado Milisegundo Microsegundo

NationalAssociation of CorrosionEngineers (Asociación Nacional de Ingenieros en Corrosión)

Norma Oficial Mexicana Ohms por metro

Segundo Tiempo

(12)

Introducción x

I

NTRODUCCIÓN

El uso del derecho de vía en las líneas de transmisión de alta tensión, compartido con oleoductos, gasoductos metálicos, y otro tipo de tuberías, ha llegado a ser común. Esta tendencia es principalmente debido a las restricciones impuestas por organismos privados y gubernamentales en relación con el trazado e impacto ambiental que la construcción de este tipo de obras ocasiona en una zona determinada. Estas restricciones son aún más estrictas en la medida enla construcción sea reciente y se ubique enáreas de alta densidad urbana. Al compartir el derecho de vía, se plantea la cuestión de qué tanto pueden afectar las líneas de transmisión de alta tensión a las líneas de tuberías subterráneas, ya que en la actualidad se ha tenido un incremento en la cantidad de líneas de alta tensión, trenes electrificados, revestimientos de gran aislamiento, el uso de corredores utilitarios (derecho de vía compartido) e incremento en las cargas de corriente en los conductores.

Existen evidencias de afectaciones a tuberías de acero que comparten derechos de vía con conductores de alta tensión de corriente alterna, soportados en torres y con recorridos de kilómetros en paralelismo. Dichas afectaciones han sido evidenciadas por manifestaciones de corrosión o por desperfectos en tuberías cuya protección anticorrosiva sufrió daños, por tensiones inducidas o por alteraciones en la protección catódica de éstas.

(13)

Justificación xi

J

USTIFICACIÓN

Debido a las fallas de cortocircuito en las líneas de transmisión, las cuales se encuentran ya sea en forma paralela, en cruzamientos o muy próximos a los ductos metálicos subterráneos, éstos últimos pueden ser afectados por la tensión inducida o corriente de fuga o falla, lo que provoca un daño en la protección catódica de los ductos.

(14)

Objetivos xii

O

BJETIVOS

Objetivo General:

Analizar las tensiones inducidas en ductos metálicos que comparten el derecho de vía de las líneas de transmisión de energía eléctrica de corriente alterna, considerando que las inducciones sean producidas por condiciones de operación en estado estable, así como por fallas de cortocircuito.

Objetivos Particulares:

Utilizar el programa ATP para simular líneas de transmisión de 230 y 400 kV bajo condiciones normales de operación, así como fallas de cortocircuito, para poder analizar los resultados obtenidos con el fin de observar si los niveles de tensión inducida dañan de manera peligrosa o permanente a ductos subterráneos.

(15)

CAPÍTULO

I

“

L

Í

N

E

A

S

D

E

T

R

A

N

S

M

I

S

I

Ó

N

”

(16)

Capítulo 1. Líneas de transmisión 2

1.1 Conceptos básicos de Líneas de Transmisión

A continuación se definen los conceptos básicos de los sistemas de transmisión, específicamente de uno de los elementos de dichos sistemas; las líneas de transmisión:

 LINEAS DE TRANSMISION

Es el conjunto de dispositivos para transportar o guiar la energia electrica desde una fuente de generacion a los centros de consumo ( las cargas), y esto son utilizados normalmente cuando no es costeable producir la energia electrica en los centros de consumo o cuando afecta el medio ambiente (visual, acustico o fisico), buscando siempre maximizar la eficiencia, haciendo las perdidas por calor o por radiaciones las mas pequeñas posibles.

 SISTEMA ELÉCTRICO

Conjunto de equipos, dispositivos, aparatos, accesorios, materiales y conductores de líneas y circuitos de transmisión y distribución, comprendidos desde la fuente hasta los equipos de utilización.

 SISTEMAS TRIFÁSICOS

Es un sistema de producción, distribución y consumo de energía eléctrica formado por tres corrientes alternas monofásicas de igual frecuencia y amplitud (y por consiguiente, valor eficaz) que presentan un desfasamiento entre ellas, en torno a 120°, y están dadas en un orden determinado. Cada una de las corrientes monofásicas que forman el sistema se designa con el nombre de fase.

 SISTEMAS MONOFÁSICOS

Conjunto de uno o varios generadores monofásicos conectados en paralelo entre sí y con un conjunto de receptores por medio de una línea de dos hilos formado por una corriente alterna o fase.



AISLADORES

Se construyen con vidrio, pastas “compound” (compuestas) patentadas y porcelana. Para líneas de transmisión los aisladores de vidrio solo son recomendables si están construidos con vidrio especial resistente al calor, tal como el Pirex. Los productos orgánicos, incluyendo los compuestos o pasta “compound” de origen orgánico, no

resisten la acción prolongada de altas tensiones, especialmente si están expuestos a la intemperie, por lo cual su uso queda limitado a instalaciones de baja tensión al interior de edificios. [1]

1.2 Generalidades de las líneas de transmisión

En redes de media y alta tensión, se emplean torres de hormigón y reticulado de acero. En la figura 1.1 y figura 1.2 se muestran los esquemas más comunes de estas torres. La

(17)

en base al vano, que es la distancia entre dos torres. Los estudios técnico-económicos, que tienen en cuenta los factores técnicos, climáticos y economicos, permiten generar sofware con los cuales se determina lo que se denomina vano económico, que es la distancia entre torres que hace mínimo el costo por kilómetro. Las estructuras de soporte, torres o postes, pueden ser de suspensión o de retención. Las primeras se instalan en los tramos rectos de las líneas, mientras que las segunda son para los lugares en que, además, la línea debe soportar esfuerzos laterales, producto del cambio de dirección (deflexión) o finales de línea. La figura 1.3 y figura 1.4 ejemplifica dos tipos de torres de

hormigón. [2]

Debe notarse que tanto en las figuras 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, las torres tienen el llamado hilo

de guarda, marcado con las letras HG. Dicho elemento es de acero galvanizado.

(18)

Figura 1.2 Torre de hormigón

(19)

(20)

Figura 1.5. Torre de Retención

Las torres metálicas son estructuras de perfiles angulares, vinculados directamente entre sí o a través de chapas, mediante uniones (tornillos). Para mejor mantenimiento, son galvanizadas y el acero es de alta resistencia. Las estructuras se dimensionan por medio de sistemas computarizados que minimizan el peso de las estructuras. Los postes de hormigón, en cambio, son del tipo armado,. Las crucetas o ménsulas, son del mismo material en la mayor parte de los casos.

En la figura 1.5 se muestra la silueta de una torre auto portante o de retención, mientras

que la figura 1.6 es una torre de suspensión metálica, con dos hilos de guarda y doble

(21)

Figura 1.6. Torre de suspensión o arriendada (económica)

(22)

Figura 1.7. Bases de la torre para la colocación de la tierra física

(23)

Figura 1.9 Detalle B de la base de la Torre

A continuación se muestran las características principales para la utilización de cimentaciones de tierra, de hormigón, anclajes en roca y estructuras especiales.

Cimentaciones de tierra: Los anclajes de acero colocados con revestimientos de

protección son económicos y se han usados con éxito para torres de sustentación o alineación. El tipo más satisfactorio de anclaje de acero es el piramidal, bien sea triangular o cuadrado.

Cimentaciones de hormigón: Estas cimentaciones se usan generalmente en

torres de ángulo y de amarre o final de línea y para las estructuras especiales que requieren gran resistencia, como son las de cruce de ríos, y torres en los extremos de vanos extraordinariamente largos.

Anclajes en roca: Estos anclajes pueden sustituir a los de acero con rejas o

bases de hormigón, en terrenos de rocas firmes. Para estos anclajes, se entierran en la roca taladros de diámetro superior al de los pernos, posteriormente se colocan los pernos, rellenando inmediatamente los huecos. Los pernos de anclaje deberían abrirse en su extremo y ser colocados con cuñas.

Estructuras especiales: Cuando no es factible realizar la transposición de

conductores en torres normales mediante crucetas adecuadas, son necesarias torres especiales. Los tramos largos sobre ríos y bahías y los cruces de carreteras principales y líneas principales y líneas más importantes de ferrocarril, requieren torres mucho más altas que las normales.

1.2.1 Transposición

(24)

1.3 Clasificación de las Líneas de Transmisión

Según la distancia las líneas de transmisión se pueden clasificar de la siguiente manera.

Líneas largas > 220 km Líneas medias 80 -220 km Líneas cortas < 80 km

1.3.1 Elementos principales de una Línea de Transmisión

Aisladores Vidrio-porcelana, Hule sintético.

Postes. De madera, Cemento, Acero Seccionadores Cuchillas e interruptores. Conductores.

Banco de capacitores. Apartar rayos.

Pararrayos Hilos de guarda

1.3.2 Herrajes para Líneas de Transmisión

Cadena se suspensión Cadena de anclaje

Clemas y grapas de suspensión Remates de compresión

Orquillas de bola Yugos

Grapas metalicas Grilletes y orquillas

1.3.4 Elementos constitutivos de la cadena de aisladores

Los herrajes utilizados son:

Horquilla bola Grillete.

Anilla bola normal y de protección. Rótula normal y de protección. Grapa de suspensión.

(25)

CAPÍTULO

II

“

I

N

D

U

C

I

Ó

N

E

L

E

C

T

R

O

M

A

G

N

É

T

I

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A

Y

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O

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I

Ó

N

D

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D

U

C

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O

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M

E

T

Á

L

I

C

O

S

”

(26)

Capítulo 2. Inducción Electromagnética y Corrosión de ductos metálicos 12

2.1 Inducción Magnética

La inducción magnética llamada también densidad de flujo magnético o intensidad de campo magnético, es el fenómeno que da origen a la producción de una fuerza electromotriz inducida (f.e.m.) en un medio o cuerpo completo, siempre que cambia la cantidad de líneas de campo magnético en un campo magnético variable que pasan por el plano del cuerpo, o bien en un medio móvil expuesto a un campo magnético estático. Por lo tanto, cuando dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida [3].

Las corrientes que circulan en los conductores de fase de una línea de transmisión son la fuente de los campos magnéticos creados alrededor de las líneas de transmisión. El retorno por tierra de las líneas de transmisión y el sistema de transmisión huésped (por ejemplo cables de telecomunicaciones, tuberías, vías de ferrocarril, etcétera) forman un lazo con un área efectiva por la cual existe un flujo magnético variable en el tiempo. Esto resulta en una tensión magnéticamente inducida por el lazo ya mencionado, lo cual sucede a consecuencia de la ley de Faraday, donde la tensión inducida depende de la densidad de flujo magnético como se muestra en la ecuación 2.1.

�

=

�_�……….. 2.1

Donde:

 fem = Fuerza Electromotriz

 d = Densidad de Flujo Magnético

 dt = Tiempo

Por otro lado, Heinrich Lenz comprobó que la corriente debida a la f.e.m. inducida se opone al cambio de flujo magnético, de forma tal que la corriente tiende a mantener el flujo. Esto es válido tanto para el caso en que la intensidad del flujo varíe, o que el cuerpo conductor se mueva respecto de él.

La Ley de Lenz dice que las tensiones inducidas serán de un sentido tal, que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjo. Esta ley es una consecuencia del principio de conservación de la energía. La polaridad de una tensión inducida es tal, que tiende a producir una corriente, cuyo campo magnético se opone siempre a las variaciones del campo existente producido por la corriente original [4].

2.2 Campos electromagnéticos producidos por líneas de

transmisión

(27)

Capítulo 2. Inducción Electromagnética y Corrosión de ductos metálicos 13 electromagnéticos, por lo que éstos se clasifican como campos de extra baja frecuencia (Extremely Low Frequency, ELF) [5].

Existen otros tipos de fuentes dentro de la misma línea de transmisión que producen campos electromagnéticos en otros anchos de banda, por ejemplo, efecto corona en líneas de transmisión.

El uso de corredores comunes para líneas de transmisión y otros sistemas de transmisión huéspedes (cables de telecomunicaciones, tuberías de gas, vías de ferrocarril, etcétera) llegan a tener problemas debido al acoplamiento electromagnético.

2.3 Corrosión

La corrosión se define como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno. Siempre que la corrosión esté originada por una reacción electroquímica (oxidación), la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la temperatura, las características del fluido en contacto con el metal y las propiedades de los metales en cuestión. Otros materiales no metálicos también sufren corrosión mediante otros mecanismos. [6]

Los procesos de corrosión suceden por una reacción química (oxidorreducción) en la que intervienen dos factores: la pieza metálica y el ambiente, o por medio de una reacción electroquímica.

Los procesos de corrosión más conocidos son las alteraciones químicas de los metales a causa del aire, como la herrumbre del hierro y el acero o la formación de pátina verde en el cobre y sus aleaciones (bronce, latón). Sin embargo, la corrosión es un fenómeno mucho más amplio que afecta a todos los materiales (metales, cerámicas, polímeros, etc.) y todos los ambientes (medios acuosos, atmósfera, alta temperatura, etc.). Es un problema industrial importante, pues es de riesgo para equipos y materiales ya que es causa de accidentes (ruptura de tuberías) lo que representa un costo importante.

La corrosión es un fenómeno electroquímico. Una corriente de electrones se establece cuando existe una diferencia de potenciales entre un punto y otro. Cuando desde una especie química cede y migran electrones hacia otra especie, se dice que la especie que los emite se comporta como un ánodo y se verifica la oxidación, y aquella que los recibe se comporta como un cátodo y en ella se verifica la reducción.

(28)

Capítulo 2. Inducción Electromagnética y Corrosión de ductos metálicos 14 Para que haya corrosión electroquímica además del ánodo y el cátodo debe existir un electrolito (por esta razón también se suele llamar corrosión húmeda). La transmisión de cargas eléctricas es por electrones del ánodo al cátodo (por medio del metal) y por iones en el electrolito.

Este par de metales constituye la llamada pila galvánica, en donde la especie que se oxida (ánodo) cede sus electrones y la especie que se reduce (cátodo) acepta electrones. Al formarse la pila galvánica el cátodo se polariza negativamente mientras el ánodo se polariza positivamente.

Por lo tanto, la corrosión es un fenómeno que depende del material utilizado, de la concepción de la pieza (forma, tratamiento, montaje) y del ambiente. Se influye entonces en estos tres parámetros; en ocasiones se influye también en la reacción química misma.

2.4 Protección catódica

La protección catódica es una técnica de control de la corrosión, es aplicada cada día con mayor éxito en el mundo entero, día a día se hacen necesarias nuevas instalaciones de ductos para transportar petróleo, productos terminados, agua; así como para tanques de almacenamiento, cables eléctricos y telefónicos enterrados y otras instalaciones importantes [7].

En la práctica se aplica protección catódica en metales como acero, cobre, plomo, latón, y aluminio, contra la corrosión en todos los suelos y, en casi todos los medios acuosos. De igual manera, se elimina el agrietamiento por corrosión bajo tensiones por corrosión, corrosión intergranular, picaduras o tanques generalizados [8].

Tomando en cuenta la serie electroquímica de los metales, un metal tendrá carácter anódico respecto de otro si se encuentra arriba de él en dicha serie. Así, por ejemplo, el hierro será anódico con relación al cobre y catódico respecto al zinc. El metal que actúa como ánodo se "sacrifica" (se disuelve) en favor del metal que actúa como cátodo; por esto el sistema se conoce como protección catódica con ánodos de sacrificio.

Cabe mencionar que si cada fracción del metal expuesto de una tubería o una estructura construida de tal forma de coleccionar corriente, dicha estructura no se corroerá porque sería un cátodo. La protección catódica realiza exactamente lo expuesto forzando la corriente de una fuente externa, sobre toda la superficie de la estructura.

Mientras que la cantidad de corriente que fluye, sea ajustada apropiadamente venciendo la corriente de corrosión y, descargándose desde todas las áreas anódicas, existirá un flujo neto de corriente sobre la superficie, llegando a ser toda la superficie un cátodo.

(29)

Capítulo 2. Inducción Electromagnética y Corrosión de ductos metálicos 15 que dichos materiales se desgasten (se corroan) a velocidades menores que los materiales que protegemos [8].

La protección catódica no elimina la corrosión, ésta remueve la corrosión de la estructura a ser protegida y la concentra en un punto donde se descarga la corriente.

Para su funcionamiento práctico requiere de un electrodo auxiliar (ánodo), una fuente de corriente continua cuyo terminal positivo se conecta al electrodo auxiliar y el terminal negativo a la estructura a proteger, fluyendo la corriente desde el electrodo a través del electrolito llegando a la estructura.

2.5 Corrosión por suelos

Se designa químicamente corrosión por suelos, a los procesos de degradación que son observados en estructuras enterradas. La intensidad dependerá de varios factores tales como el contenido de humedad, composición química, pH del suelo, etc. En la práctica suele utilizarse comúnmente el valor de la resistividad eléctrica del suelo como índice de su agresividad; por ejemplo un terreno muy agresivo, caracterizado por presencia de iones tales como cloruros, tendrá resistividades bajas, por la alta facilidad de transportación iónica.

2.5.1 Consideraciones de diseño para la protección catódica en ductos

enterrados

La proyección de un sistema de protección catódica requiere de la investigación de características respecto a la tubería a proteger, y al medio [8].

 RESPECTO A LA ESTRUCTURA A PROTEGER

Material de la estructura;

Especificaciones y propiedades del revestimiento protector (si existe); Características de construcción y dimensiones geométricas;

Localización y características de otras estructuras metálicas, enterradas o sumergidas en las proximidades;

Información referente a los sistemas de protección catódica, los sistemas de operación, aplicados en las estructuras o tuberías aledañas;

Análisis de condiciones de operación de líneas de transmisión eléctrica en alta tensión, que se mantengan en paralelo o se crucen con las estructuras enterradas y puedan causar inducción de la corriente;

(30)

Capítulo 2. Inducción Electromagnética y Corrosión de ductos metálicos 16 Sondeo de las fuentes de corriente alterna de baja y media tensión, que podrían alimentar rectificadores de corriente o condiciones mínimas para la utilización de fuentes alternas de energía.

 RESPECTO AL MEDIO

Luego de disponer de la información anterior, el diseño será factible complementando la información con las mediciones de las características de campo como:

Mediciones de la resisitividad eléctrica a fin de evaluar las condiciones de corrosión a que estará sometida la estructura.

Definir sobre el tipo de sistema a utilizar; galvánico o corriente impresa y, escoger los mejores lugares para la instalación de ánodos;

Mediciones del potencial Estructura-Electrolito, para evaluar las condiciones de corrosión en la estructura, así mismo, detectar los problemas de corrosión electrolítica;

Determinación de los lugares para la instalación de ánodo bajo los siguientes principios:

Lugares de baja resistividad.

Distribución de la corriente sobre la estructura. Accesibilidad a los sitios para montaje e inspección

Pruebas para la determinación de corriente necesaria; mediante la inyección de corriente a la estructura bajo estudio con auxilio de una fuente de corriente continua y una cama de ánodos provisional. La intensidad requerida dividida para área, permitirá obtener la densidad requerida para el cálculo.

2.6 Efectos de líneas de transmisión de energía de corriente

alterna en alta tensión hacia tuberías enterradas

Existen afectaciones a tuberías de acero que comparten derechos de vía con conductores de corriente eléctrica alterna de alta tensión, soportados en torres y con recorridos de kilómetros en paralelismo. Dichas afectaciones han sido evidenciadas por manifestaciones de corrosión o por desperfectos en tuberías cuya protección anticorrosiva sufrió daños, por corrientes inducidas o por alteraciones en la protección catódica de éstas.

(31)

Capítulo 2. Inducción Electromagnética y Corrosión de ductos metálicos 17 La manifestación de este tipo de problemas se ha relacionado principalmente con alteraciones de las características aislantes en soportes de los brazos de las torres de transmisión, durante eventos de descontrol por descargas eléctricas atmosféricas o por fallas de cortocircuito entre fases de las líneas de conducción, originando la transmisión de corriente hacia las bases de las torres y de éstas a las tuberías enterradas cercanas [8].

La tensión inducida en los sistemas de transmisión, existe en una longitud considerable del elemento receptor, por lo que se hace necesario el uso de procedimientos para la reducción de estas tensiones a niveles aceptables. Aun en sistemas donde la tensión inducida es despreciable, es necesario analizar tanto al sistema receptor como a la línea de potencia en caso de que se pretendan realizar modificaciones en la construcción de las mismas.

Existen diferentes tipos de interferencias en el medio ambiente electromagnético para el caso de un ducto enterrado, estas interferencias comprenden las siguientes áreas:

Corrientes en los conductores de fase de la misma línea de transmisión Corrientes de falla en la línea de transmisión

Inyección de corrientes en el tubo que resultan de fallas a tierra de las líneas de transmisión cercanas a la tubería

2.6.1 Interferencias por corrientes alternas

Se presenta cuando existen tuberías próximas a las líneas de transmisión de alta tensión y sistemas de distribución.

Se crea un campo magnético por el flujo de corriente alternante

Cualquier objeto metálico sujeto a un campo electromagnético alterno exhibirá una tensión inducida, así como fallas en los conductores de potencia a la tierra pueden causar altas corrientes en las estructuras enterradas

Formas de inducción de corrientes y tensiones con corriente alterna:

Inducción electrostática o capacitiva, donde la estructura actúa como un lado del capacitor con respecto a la tierra. Esta es importante únicamente cuando la estructura es aérea.

Acople resistivo o conductivo, donde la potencia es transmitida a la tierra y luego fluye sobre y fuera de la estructura enterrada.

(32)

Capítulo 2. Inducción Electromagnética y Corrosión de ductos metálicos 18 Cuando una línea de alta tensión transporta una carga de corriente eléctrica, se produce un campo magnético alrededor de los cables el cual se acopla a las tuberías que fluyen paralelas causando una tensión y una corriente alternante inducida [9].

La tensión se induce a un ducto por conductores eléctricos aéreos en estrecha proximidad. La influencia eléctrica ejercida por una línea de potencia en una tubería, varía de acuerdo con las características eléctricas y la geometría de cada sistema individual. La tensión inducida en un oleoducto o cualquier ducto con materiales inflamables supone un peligro en lugar de una preocupación por la corrosión.

En donde exista una tubería recubierta, eléctricamente continua y paralela a un sistema de transmisión de corriente alterna, por largos espacios (usualmente medido en kilómetros), existe una inducción de tensión en la tubería.

Si una tubería esta lo suficientemente cerca y paralela a la línea de transmisión eléctrica,

el campo electromagnético “penetrará” la tubería en ángulos rectos, la magnitud de

corriente parásita resultante es directamente proporcional a la fase de la corriente y de magnitudes relativas como a la longitud de exposición mutua; y es inversamente proporcional a la distancia relativa entre la estructura y los conductores de la línea de potencia. La tubería actúa como un simple giro secundario de un transformador de núcleo de aire, y las líneas de transmisión de corriente alterna aéreas son primarias.

Las corrientes debidas a interferencias de corriente alterna pueden ser fácilmente identificadas mediante la medición de potenciales de tensión de la estructura con respecto a la tierra. El electrodo de referencia usado para mediciones de protección catódica puede ser usado como contacto a tierra, no obstante la norma NACE RP0177-92, en su apartado de control de corrosión externa en los sistemas de tuberías metálicas Enterradas o sumergidas recomienda que se realice con una varilla metálica como referencia. [10]

Los principales factores que influyen en la tensión inducida son:

La resistencia del recubrimiento de la tubería, fuerza o dureza dieléctrica y calidad. La resistencia longitudinal de la tubería.

(33)

CAPÍTULO

III

“

M

O

D

E

L

A

D

O

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S

I

M

U

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D

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D

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E

T

Á

L

I

C

O

S

”

(34)

Capítulo 3. Modelado y simulación de la inducción magnética en ductos metálicos 20

3.1 Simulación de las líneas de transmisión utilizando el

programa ATP

El ATP (Alternative Transient Program) fue originalmente diseñado para el cálculo de procesos transitorios en sistemas eléctricos de potencia, además es usado para producir gráficas de onda de tensión y corriente para diferentes tipos de fallas.

En este capítulo, se realizan simulaciones utilizando para líneas de transmisión de 230 kV y 400 kV; para ambos casos se emplean algunos datos similares tanto en las líneas de transmisión como en los ductos metálicos subterráneos, estos datos se mencionan a continuación.

Los datos de la línea para la simulación son:

La longitud de la línea a ser simulada = 100 km

La longitud del tiempo de simulación (tiempo máximo) = 50 ms

Los pasos de tiempo (pasos de integración) = 1 µs

Los datos de la línea de transmisión se presentarán dependiendo de cada simulación ya que se realizará en líneas de transmisión de 230 kV y 400 kV.

Los datos de la tubería para la simulación son:

Resistencia del aislamiento = 833,000 Ω/m

Diámetro externo = 0.4064 m

Diámetro interno = 0.39923 m

Espesor = 0.00717 m

Enterrado a = 0.5 m

Se debe tomar en cuenta que, como la distancia vertical de la torre, se considera la altura total de la torre de transmisión más la profundidad a la cual se encuentra enterrado el ducto metálico, esta técnica para calcular la tensión inducida entre la torre y el ducto, fue comprobada por Ghada M. Amer, la cual se realizó comparando los resultados de un caso similar al presentado en este capítulo en ATP con cálculos realizados en Matlab para estudiar los efectos de varios datos de la tensión inducida. De esta comparación se mostraron resultados muy similares, por lo que esta técnica fue aceptada para realizar la simulación de ductos subterráneos considerando tanto casos de operación normal como diferentes casos de corto circuito [11].

Cabe mencionar que se considera también que el control de la corrosión externa en ductos metálicos enterrados o sumergidos está regulado por la norma oficial mexicana

(35)

recubrimiento del ducto donde sea necesario y, por ningún motivo, la distancia debe ser menor a 3 metros respecto de la pata de la línea de transmisión.[12]

Como se ha mencionado en el presente trabajo de tesis, las simulaciones se realizan para torres de 230 y 400 kV; en el siguiente apartado se muestran las simulaciones para una torre de transmisión autosoportada de 230 kV (dos circuitos).

3.2 Torre de transmisión autosoportada tipo 2R2 de 230 kV (dos

circuitos)

Se considera una torre de transmisión de 230 kV de dos circuitos, utilizando las dimensiones de la torre que se presenta en la figura 3.1, además de una longitud de línea

de 100 km. El conductor utilizado para esta línea es el de calibre 900 kCM, ACSR (Canary). Los datos de este conductor se observan en el anexo B.

(36)

La acotación de la figura 3.1 está realizada en metros. Los diámetros de la tubería se han

mencionado con anterioridad, por lo cual en la figura se muestra gráficamente el lugar donde se considera enterrado el ducto.

Las medidas de la torre de transmisión se utilizan como datos en el programa ATP.

3.2.1 Datos de la línea a ser simulada

En el programa ATP, para realizar la simulación de la torre de transmisión deben elegirse algunas condiciones para la operación más adecuada de la torre de transmisión, tal como se muestra en la figura 3.2; además, en la figura 3.3 se muestran las distancias

consideradas entre la torre de transmisión y el ducto, utilizando la técnica mencionada anteriormente, en la cual a la altura de la torre, se le suma la distancia a la que está enterrada el ducto.

(37)

Figura 3.3. Distancias de la torre de transmisión de 230 kV

Continuando con los valores empleados para la realización de la simulación, hay que obtener el valor de tensión para la fuente, ya que se trabaja con el valor pico de la tensión, es decir:

�� =�� 2 =

230�� 2

3 = 187794.3 �………....3.1

Este valor se utiliza en la fuente de tensión del programa ATP, la cual se muestra en la

figura 3.4.

Figura 3.4. Datos de la fuente de tensión

(38)

interruptor siempre se mantiene cerrado. Para lograr esto, se utilizó un interruptor de tensión controlada, considerando las características mostradas en la figura 3.5.

Figura 3.5. Valores del interruptor de tensión controlada

Conociendo los datos a ser utilizados en la simulación de una torre de transmisión de 230 kV, se realiza la simulación y el análisis del efecto de líneas de transmisión sobre los ductos metálicos que comparten el mismo derecho de vía. Se obtendrán los niveles de tensión inducida en los ductos considerando cuatro casos:

Condiciones normales de operación Falla trifásica

Falla bifásica Falla monofásica

La realización de estas simulaciones permitirá determinar en cuál de los casos ya mencionados se tienen las mayores inducciones de tensión y posteriormente, proponer y analizar estrategias para la protección de los ductos.

A continuación se presentan las simulaciones de los cuatro casos mencionados con anterioridad.

3.2.2 Caso 1. Torre de transmisión de 230 kV en condiciones normales de

operación

(39)

Figura 3.6. Torre de transmisión de 230 kV en paralelo con un ducto subterráneo, operando en

condiciones normales.

En la figura 3.7 se presenta una gráfica de la tensión en la línea trifásica considerando

que esta se encuentra en condiciones normales de operación; cabe mencionar que, tanto en el nodo emisor como en el nodo receptor de la torre de transmisión, se tiene la misma tensión, ya que no existe falla alguna que provoque alguna variación de tensión en los nodos. Por lo anterior, resulta innecesario mostrar dos gráficas que contienen resultados iguales.

Figura 3.7. Tensión en el nodo emisor y receptor de la línea de transmisión de 230 kV.

En la figura 3.8 muestra una gráfica de la tensión inducida en el ducto metálico

subterráneo, considerando que la línea de transmisión de 230 kV se encuentra operando bajo condiciones normales. Esta tensión inducida es aproximadamente de 114 V de valor pico.

0 10 20 30 40 _[ms] 50

(40)

Figura 3.8. Tensión inducida en el ducto, considerando que la línea de 230 kV opera en condiciones normales.

3.2.3 Caso 2. Torre de transmisión de 230 kV operando con una falla

trifásica

En este caso se realiza la simulación de una línea de transmisión de 230 kV, considerando que esta se encuentra operando bajo condiciones de falla trifásica. Para realizar esta simulación en el programa ATP, los elementos que ya se han mencionado con anterioridad, se colocan como se presenta en la figura 3.9. Es de suma importancia

considerar que la falla de cortocircuito trifásica, ocurre únicamente en uno de los dos circuitos y dependiendo del circuito en el que se elija realizar la falla, las tensiones variaran, esto sucede debido a que las distancias entre cada uno de los circuitos y el ducto son distintas.

Figura 3.9. Torre de transmisión de 230 kV, en paralelo con un ducto subterráneo, considerando

que existe una falla trifásica en la línea.

La figura 3.10 indica una gráfica que muestra la tensión en el lado emisor de la línea de

transmisión en condiciones de operación de falla trifásica, la cual ocurre a los 10 ms.

0 10 20 30 40 _[ms] 50

(41)

Figura 3.10. Tensión en el nodo emisor de la línea de transmisión de 230 kV

La figura 3.11 considera una gráfica en la que conforme se incrementa la longitud de la

línea, la tensión en el nodo receptor va reduciéndose cada vez más.

Figura 3.11. Tensión en el nodo receptor de la línea de transmisión de 230 kV

En la figura 3.12 se muestra una gráfica con la tensión inducida en el ducto metálico

subterráneo, considerando que la línea de transmisión se encuentra operando bajo condiciones de falla trifásica. Esta tensión inducida es de aproximadamente 113 V de valor pico.

0 10 20 30 40 _[ms] 50

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 [kV]

(file 230trifasico.pl4; x-var t) v:X0023A v:X0023B v:X0023C

0 10 20 30 40 _[ms] 50

(42)

Figura 3.12. Tensión inducida en el ducto, considerando la existencia de una falla trifásica en la

línea de 230 kV

3.2.4 Caso 3. Torre de transmisión de 230 kV operando con una falla

bifásica

En este caso se realiza la simulación de una línea de transmisión de 230 kV, considerando que esta se encuentra operando bajo condiciones de falla bifásica. Para realizar esta simulación en el programa ATP, los elementos que ya se han mencionado con anterioridad, se colocan como se presenta en la figura 3.13. Es importante considerar

que la falla de cortocircuito bifásica, que ocurre únicamente en uno de los dos circuitos, se presenta entre las fases B y C.

Figura 3.13. Torre de transmisión de 230 kV, en paralelo con un ducto subterráneo, considerando

que existe una falla bifásica en las fases B y C

La figura 3.14 es una gráfica en la cual se presenta la tensión en el nodo emisor de la

línea de transmisión operando en condiciones de falla bifásica, la cual ocurre a los 10 ms.

0 10 20 30 40 _[ms] 50 -120

(43)

La figura 3.15 representa una gráfica donde el nodo receptor de la línea de transmisión,

la tensión en las fases dañadas va disminuyendo, al contrario de lo sucedido con la fase sana, ya que la tensión en la misma alcanza un valor pico de aproximadamente 221 kV.

En la figura 3.16 se muestra una gráfica de la tensión inducida en el ducto metálico

subterráneo, considerando que la línea de transmisión se encuentra operando bajo

0 10 20 30 40 _[ms] 50

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 [kV]

(file 230bifasico.pl4; x-var t) v:X0023A v:X0023B v:X0023C

0 10 20 30 40 _[ms] 50 -250.0

(44)

condiciones de falla bifásica. Esta tensión inducida es de aproximadamente 152 V de valor pico.

Figura 3.16. Tensión inducida en el ducto, considerando la existencia de una falla bifásica entre las

fases B y C

3.2.5 Caso 4. Torre de transmisión de 230 kV operando con una falla

monofásica

En este caso se realiza la simulación de una línea de transmisión de 230 kV, considerando que esta se encuentra operando bajo condiciones de falla monofásica. Para realizar esta simulación en el programa ATP, los elementos que ya se han mencionado con anterioridad, se colocan como se presenta en la figura 3.17. Se debe considerar que

la falla de cortocircuito monofásica, que ocurre únicamente en uno de los dos circuitos, se presenta en la fase A.

Figura 3.17. Torre de transmisión de 230 kV, en paralelo con un ducto subterráneo, considerando que existe una falla monofásica en la fase A.

(file 230bifasico.pl4; x-var t) v:XX0019

0 10 20 30 40 _[ms] 50 -120

(45)

La figura 3.18 trata de una gráfica de la tensión en el nodo emisor de la línea de

transmisión operando en condiciones de falla monofásica, la cual ocurre a los 10 ms.

La figura 3.19 indica por medio de una gráfica, que en el nodo receptor de la línea de

transmisión, la tensión en la fase dañada va disminuyendo, al contrario de lo sucedido con las fases sanas, ya que la tensión en las mismas alcanza un valor pico de aproximadamente 206 kV.

0 10 20 30 40 _[ms] 50 -200

-150 -100 -50 0 50 100 150 200 [kV]

0 10 20 30 40 _[ms] 50 -250.0

(46)

En la figura 3.20 se muestra una gráfica sobre la tensión inducida en el ducto metálico

subterráneo, considerando que la línea de transmisión se encuentra operando bajo condiciones de falla monofásica. Esta tensión es de aproximadamente 216 V de valor pico.

Figura 3.20. Tensión inducida en el ducto, considerando la existencia de una falla monofásica en la fase A

En el presente trabajo de tesis, se presentan a continuación las simulaciones para los mismos cuatro casos, pero ahora considerando una torre de transmisión autosoportada de 400 kV (un circuito).

(file 230monofasico.pl4; x-var t) v:XX0019

0 10 20 30 40 _[ms] 50

(47)

3.3 Torre de Transmisión autosoportada tipo A de 400 kV (un

circuito)

Se considera una torre de transmisión de 400 kV de un circuito, utilizando las dimensiones de la torre que se presentan en la figura 3.21, además de una longitud de línea de 100

km. El conductor utilizado para esta línea es el de calibre 1113 kcm, ACSR (Blue Jay). Los datos correspondientes al conductor se observan en el anexo B.

Figura 3.21. Torre de transmisión autosoportada tipo A de 400 kV (un circuito)

La acotación de la figura 3.21 está realizada en metros. Los diámetros de la tubería se

han mencionado con anterioridad, por lo cual en la figura se muestra gráficamente el lugar donde se considera enterrado el ducto.

Las medidas de la torre de transmisión se utilizan como datos en el programa ATP.

3.3.1 Datos de la línea a ser simulada

(48)

consideradas entre la torre de transmisión y el ducto, utilizando la técnica mencionada anteriormente, en la que a la altura de la torre, se le suma la distancia a la que está enterrada el ducto.

Figura 3.22. Datos de la torre de transmisión de 400 kV

Figura 3.23.Distancias de la torre de transmisión de 400 kV

(49)

�� =� � 2 =

400�� 2

3 = 326598.77 �……….3.2

Este valor se utilizó en la fuente de tensión del programa ATP, la cual se muestra en la

figura 3.24.

Figura 3.24. Datos utilizados en la simulación de la fuente

En esta simulación, inicialmente, el circuito esta desenergizado pero el interruptor se cierra en t=0.01s. Para lograr esto, se utilizó un interruptor de tensión controlada,

considerando las características mostradas en la figura 3.25.

Figura 3.25. Valores considerados en el interruptor de tensión controlada

(50)

metálicos que comparten el mismo derecho de vía. Se obtendrán los niveles de tensión inducida en los ductos considerando cuatro distintos casos:

Condiciones normales de operación Falla trifásica

Falla bifásica Falla monofásica

La realización de estas simulaciones permitió determinar en cuál de los casos ya mencionados se tienen las mayores inducciones de tensión y posteriormente, proponer y analizar estrategias para la protección de los ductos.

En el presente trabajo de tesis, se presentan a continuación las simulaciones de los cuatro casos ya mencionados con anterioridad para el caso de una línea de transmisión de 400 kV.

3.3.2 Caso 1. Torre de transmisión de 400 kV en condiciones normales de

operación

En este caso se realiza la simulación de una línea de transmisión de 400 kV, considerando que esta se encuentra operando en condiciones normales. Para realizar esta simulación en el programa ATP, los elementos que ya se han mencionado con anterioridad, se colocan como se presenta en la figura 3.26.

Figura 3.26. Torre de transmisión de 400 kV en paralelo con un ducto subterráneo, operando en

En la figura 3.27 se presenta una gráfica de la tensión en la línea trifásica considerando

(51)

Figura 3.27. Tensión en el nodo emisor y receptor de la línea de transmisión de 400 kV

La figura 3.28 muestra una gráfica de la tensión inducida en el ducto metálico

[image:51.612.130.477.68.283.2]

subterráneo, considerando que la línea de transmisión de 400 kV se encuentra operando bajo condiciones normales. Esta tensión inducida es aproximadamente de 209 V de valor pico.

Figura 3.28. Tensión inducida en el ducto, considerando que la línea de 400 kV opera en

(file 400sinfalla.pl4; x-var t) v:X0009A v:X0009B v:X0009C

0 10 20 30 40 _[ms] 50 -400

-300 -200 -100 0 100 200 300 400 [kV]

0 10 20 30 40 _[ms] 50