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Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey
Campus Monterrey
Escuela de Ingeniería y Ciencias
Demostración experimental para la extracción de parámetros físicos de una línea de transmisión eléctrica a partir de un sistema de visión.
Tesis presentada por
Juan Antonio Algarín Pinto
sometida a la
Escuela de Ingeniería y Ciencias
como un requisito parcial para obtener el grado académico de Maestro en Ciencias
en
Ciencias de Ingeniería
Monterrey Nuevo León, 12 de junio de 2020
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Reconocimientos
Mi más sincero agradecimiento y reconocimiento a cada una de las personas en cuyos esfuerzos y aportaciones fue forjada la culminación de este trabajo de investigación de una forma satisfactoria.
Gracias asesor principal, Dr. Oliver Probst, por su constante apoyo y compromiso a lo largo de cada una de las etapas de este proyecto. Gracias por el conocimiento compartido y la guía brindada para llevar a buen puerto el destino de un investigador más.
Gracias co-asesor, Dr. Diego Cárdenas, por su gran empeño e interés en este tema de investigación desde la primera vez que se lo presentamos. Sus ideas y aportaciones me permitieron alcanzar los resultados deseados.
Gracias Dr. José Tamez, su dominio en el área de las tecnologías de visión y su dedicada impartición de conocimiento me permitió comprender nuevos conceptos, así como aplicarlos a lo largo de todo este proyecto.
Gracias Ing. Christian Llivisaca por ser un excelente compañero y colega a lo largo del desarrollo de gran parte de los resultados obtenidos. Este es un logro en conjunto y también es tuyo.
Gracias Ing. Sebastian Pinto e Ing. Esmeralda Ibars por compartirme su conocimiento adquirido a lo largo de tantos años de arduo trabajo en sistemas de transmisión eléctrica. Gracias, mis amados amigos.
Gracias Ing. Angel Ornelas e Ing. Yesenia Chavana, futuros MCI, por ser siempre una fuente incansable de apoyo moral. Han sido el más sorprendente regalo que la casualidad me pudo haber concedido en mi corta experiencia de vida: dos hermanos.
Gracias Lic. María Pinto, mamá. Gracias por estar siempre a mi lado, ayudarme a montar experimentos y por compartir mis desvelos, miedos e inseguridades cuando no veía aparente solución. Gracias por las ideas y por convertirte en ingeniero, psicólogo y orientador espiritual: este proyecto es tan tuyo como nuestro.
Gracias al Tecnológico de Monterrey por aceptarme en su programa de Maestría en Ciencias de la Ingeniería. Gracias a CONACyT por el apoyo económico recibido para realizar mis estudios.
Gracias Dios. Lo eres todo para mí.
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Demostración experimental para la extracción de parámetros físicos de una línea de transmisión eléctrica a partir de un
sistema de visión.
por
Juan Antonio Algarín Pinto
Resumen
El presente trabajo de investigación consiste en la demostración conceptual y experimental de un sistema de detección de parámetros físicos de líneas de transmisión eléctrica a partir de un sistema de visión. Para tales fines, se asimilaron las teorías existentes acerca del comportamiento de conductores dentro de sistemas de transmisión eléctrica aéreos. De esta forma se presenta una propuesta metodológica para la extracción de parámetros como la tensión mecánica y la temperatura en un cable suspendido cuando este ha cambiado su forma o longitud. Derivaciones matemáticas que asocian la extracción de dichos parámetros físicos con la forma de los cables son presentadas a detalle.
A su vez, se detalla el desarrollo y construcción de un sistema innovador de medición que a través del uso de estrategias de procesamiento de imágenes es capaz de medir la flecha eléctrica presente en un cable conductor. El algoritmo construido presenta técnicas de visión computacional que permiten la correcta detección de cables suspendidos, así como la estimación de la caída que presentan. Cada una de las técnicas empleadas y la sinergia que producen para alcanzar resultados deseados son descritos a lo largo del actual documento.
Finalmente se muestran los resultados de las validaciones experimentales para la obtención de la tensión mecánica y temperatura de un conductor de cobre calibre 31 a partir de mediciones realizadas por el sistema de visión construido.
Se detallan los resultados de implementar el sistema de medición en ambientes controlados y no controlados para la detección de conductores y la medición de sus flechas eléctricas. El sistema de medición construido presenta altos niveles de exactitud en la estimación de la tensión mecánica y gran precisión en la estimación de flecha eléctrica y temperatura.
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Lista de Figuras
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Lista de Tablas
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Contenido
Resumen vi
Lista de Figuras vii
Lista de Tablas ix
Capítulo 1 Introducción. ... 1
1.1 Planteamiento del problema y motivación. ... 2
1.2 Hipótesis y preguntas de investigación. ... 6
1.3 Enfoque de solución. ... 7
1.4 Contribuciones previas. ... 8
1.5 Organización del documento. ... 14
Capítulo 2 Líneas de transmisión eléctrica aéreas. ... 15
2.1 Gestión dinámica de líneas eléctricas. ... 17
2.1.1 Técnicas de monitoreo para la gestión dinámica de líneas de transmisión. 19 2.1.2 Dispositivos de medición de flecha eléctrica. ... 22
2.2 Modelo matemático de líneas aéreas de transmisión. ... 25
2.3 Ecuación de cambio de estado de un conductor eléctrico. ... 29
2.3.1 Efectos elásticos y cambio de flecha en conductores. ... 30
2.3.2 Efectos térmicos y cambio de flecha en conductores. ... 30
Capítulo 3 Técnicas de visión implementadas en el sistema de medición. ... 35
3.1 Rectificación de perspectiva: transformación de homografía. ... 37
3.2 Técnicas de filtrado para reducción de ruido. ... 42
3.3 Morfología matemática en imágenes binarias. ... 51
3.4 Extracción de píxeles y ajuste matemático. ... 56
Capítulo 4 Metodología e implementación. ... 62
4.1 Pruebas de precisión para estimación de flecha eléctrica. ... 62
4.2 Pruebas de validación experimental para derivaciones matemáticas. ... 64
4.3 Pruebas de sistema de visión en ambiente no controlado. ... 67
4.4 Implementación del código del sistema de visión. ... 69
Capítulo 5 Resultados. ... 70
5.1 Precisión del sistema de visión. ... 70
5.2 Pruebas para validación de ecuación de cambio de estado. ... 78
5.2.1 Estimación de tensión mecánica en el conductor. ... 86
5.3 Pruebas en ambientes no controlados. ... 90
Capítulo 6 Conclusiones. ... 103
6.1 Contribuciones. ... 103
6.2 Delimitaciones y recomendaciones. ... 104
6.3 Trabajo futuro. ... 105
Referencias ... 108
Apéndice A. ... 111
A1. Pruebas de calibración de celda de carga. ... 111
A.2 Pruebas de medición de tensión mecánica. ... 114
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Capítulo 1 Introducción.
La demanda global de energía ha ido en aumento durante las últimas décadas. El crecimiento poblacional ha provocado un incremento de consumo en los sistemas de potencia, lo que se traduce en la incorporación y expansión de los sistemas de transmisión eléctrica. Según cifras estimadas por el Banco Mundial, hasta el año 2014 el consumo de energía eléctrica habría alcanzado los 3,127.361 kilowatts hora (kWh) per cápita, representado un crecimiento anual del 2.6% desde el año 1960 [1]. A su vez, la Secretaría de Energía (SENER) estimó a finales de 2017 que en México el consumo de energía per cápita había alcanzado los 2,104 kWh, lo que representó un crecimiento del 0.2% respecto al año 2016. Esto a su vez, fue precedido de un crecimiento poblacional del 1.0%
durante el mismo periodo [2].
Buscando dar solución al incremento en la demanda y consumo energético, así como lograr un mayor abastecimiento y alcanzar cada vez más zonas construidas debido al crecimiento poblacional, una mayor cantidad de líneas de transmisión eléctricas han sido construidas. A su vez, se han incorporado líneas de transmisión diseñadas con múltiples circuitos o para incrementar los niveles de voltaje de operación. El aumento de demanda ha requerido a su vez de la incorporación de diversas fuentes de generación energética, tales como las fuentes de energía renovables y las tecnologías para producir energías limpias eficientemente.
La tarea de evaluar constantemente el desempeño y el correcto funcionamiento de las líneas eléctricas de transmisión es de gran importancia en cuestiones de mantenimiento y seguridad. En la actualidad, la norma CIGRE TB 498 representa una guía de las técnicas que pueden ser empleadas para monitorear en tiempo real la temperatura actual de un conductor dentro de una línea de transmisión para así asegurar que la potencia transmitida a través de este no exceda sus límites térmicos. Sobrepasar los límites de temperatura de un conductor se traduce entonces en pérdidas eléctricas a lo largo de la línea, así como también en daños físicos y materiales. Por tales motivos, desarrollar sistemas de monitoreo que permitan conocer de manera directa y en tiempo real las condiciones físicas actuales de un conductor dentro de una línea de transmisión eléctrica son de gran relevancia.
En la actualidad, la gestión dinámica de la capacidad en líneas aéreas de alta tensión (Dynamic Line Ratings o DLR por sus siglas en inglés) ha sido un tema de alta relevancia mundial. Las teorías actuales del DLR buscan maximizar la longevidad y eficiencia en la transmisión de corriente de los conductores eléctricos mediante el monitoreo de tres factores importantes: la estabilidad de la línea, su voltaje y sus límites térmicos [3]. Además, las metodologías propuestas por dichas teorías tienen como objetivo principal mitigar la congestión eléctrica cuando es causada debido a excedentes en los límites térmicos de transmisión [4].
De esta manera, se han desarrollado tecnologías para conocer las condiciones actuales de los sistemas de transmisión eléctrica. Dichas tecnologías son capaces de proporcionar la información necesaria para la toma
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de decisiones dinámicas respecto a la transmisión de potencia considerando en todo momento las condiciones físicas presentes tanto en el conductor como en sus alrededores. A su vez, el monitoreo de un conductor dentro de una línea de transmisión implica la incorporación de mecanismos que permitan la lectura directa de ciertos parámetros en la línea. Entre las tecnologías actuales se encuentran los sensores de temperatura, los monitores de tensión y los monitores de flecha. El uso de estas tecnologías implica el montaje de sensores y mecanismos en el conductor dentro de la línea de transmisión. Su incorporación, sin embargo, representa una actividad de alto riesgo para el técnico a cargo. La implementación de estos sistemas permite así extraer información de las condiciones físicas actuales del conductor y mediante un historial de su comportamiento y funcionamiento decidir los límites de transmisión que pasarán por la línea determinada.
El actual proyecto de investigación consistió en el desarrollo de un sistema de monitoreo no invasivo capaz de determinar los parámetros físicos de una determinada línea de transmisión eléctrica. El sistema propuesto consta de un algoritmo de visión que de manera autónoma es capaz de detectar una línea de transmisión eléctrica, extraer su posición dentro de la imagen y definir la flecha y longitud total que presenta. Además, a partir de los cambios detectados en el conductor y conociendo sus propiedades físicas determinar la temperatura actual del mismo.
Para la implementación y construcción del sistema de medición, diversos modelos matemáticos que permiten definir el comportamiento de un conductor pendido en sus dos extremos fueron estudiados. Además, los efectos de elongación térmica y elástica del conductor son considerados. Para la creación del algoritmo de visión, teorías para la reconstrucción, filtrado de ruido, segmentación, muestreo y extracción de segmentos de interés en una imagen fueron desarrollados. La implementación del sistema de medición a su vez fue probada en laboratorios bajo ambientes controlados para definir la precisión y exactitud de su funcionamiento. Así también, el sistema de medición fue probado en escenarios reales donde la detección de los conductores pudo ser realizada de manera adecuada.
Así, el presente documento muestra cada uno de los antecedentes, estudios realizados y aspectos considerados en la creación e implementación del sistema de medición propuesto. A su vez, pretende demostrar la aplicabilidad y relevancia del proyecto como un instrumento innovador que facilite las técnicas actuales existentes para el monitoreo de los parámetros físicos en los conductores de líneas aéreas de alta tensión.
1.1 Planteamiento del problema y motivación.
Las líneas de transmisión eléctrica presentan un papel importante en las redes de transmisión de potencia. Ya que mucha de la energía actual es generada desde estaciones convencionales cuya principal materia prima son los combustibles fósiles, dichas estaciones suelen estar retiradas de los centros de carga y/o poblaciones debido a restricciones ambientales. Por lo tanto, la forma más conveniente de transmitir la energía generada es a través de la implementación de líneas aéreas de transmisión eléctrica. A su vez, debido a
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que el consumo energético mundial y local crece a una razón de cambio considerable y que cada vez se cuenta con nuevos centros de generación de energía, nuevos corredores para la transmisión de potencia deben ser implementados. Así, es imperativo comenzar a analizar la manera de monitorear adecuadamente las líneas de transmisión eléctrica de tal forma que el flujo de potencia pueda ser controlado dentro de límites permisibles por parte de los conductores empleados en las mismas.
La ausencia de control y supervisión de las líneas de transmisión puede desembocar en problemas de implicación mayor y daños colaterales. Uno de los principales problemas actuales en líneas de transmisión es la contingencia eléctrica, representando pérdidas de energía en la misma. Reducir el riesgo de contingencias eléctricas tiene un impacto de factor económico y ambiental. El control para la reducción de pérdidas eléctricas en líneas de transmisión está directamente ligado a la reducción de emisiones contaminantes. Además, desde una perspectiva económica, el costo por congestión tiene una relación positiva con el precio de la electricidad que se vende en el mercado; es decir, a mayor congestión, más cara será la electricidad. En México, según cifras del Centro de Investigación Económica y Presupuestaria, aproximadamente cerca de 14 meses del tiempo comprendido entre el 27 de enero de 2017 al 31 de abril de 2019; se contrató energía más costosa debido a condiciones de saturación en la red nacional de transmisión. A su vez, el mismo estudio menciona que la principal razón de la presencia de estrés en las redes de transmisión es debido a que las zonas nacionales donde se genera más energía no necesariamente son las que más consumen. Dicha disparidad entre los polos de generación y consumo eléctrico obliga al sistema nacional de transmisión a utilizar medios para transportar la energía como lo son las líneas de transmisión y distribución [5].
Para garantizar la confiabilidad del suministro y distribución energética el problema actual de contingencias en la red de transmisión nacional debe ser considerado.
Una correcta supervisión de las propiedades físicas de las líneas eléctricas permite maximizar la transmisión de potencia en las mismas sin comprometer sus límites de estabilidad, mecánicos y térmicos. Dichos límites son de gran importancia para el adecuado desempeño de los cables eléctricos.
Primero, los límites de estabilidad restringen la máxima capacidad de voltaje que puede circular por la línea y que está asociado a la impedancia presente en la misma. Segundo, los límites térmicos del conductor refieren a las pérdidas en las propiedades mecánicas que puede sufrir un conductor por consecuencia del sobrecalentamiento. Finalmente, los límites mecánicos definen la distancia mínima que debería existir entre el punto más bajo del conductor y el suelo o la vegetación más cercana [6].
Por tales motivos, desarrollar un sistema que permita monitorear la máxima capacidad que presenta un conductor para transmitir energía dentro de una línea eléctrica aérea es de gran utilidad. La construcción e implementación de sistemas que asimismo permitan evaluar las condiciones físicas actuales de un conductor dentro de una línea de transmisión son de gran ayuda. Así, estos
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sistemas de monitoreo permiten asegurar un funcionamiento y rendimiento seguro, confiable y eficiente durante todo el periodo de operación del conductor.
En la actualidad, los métodos empleados para el monitoreo de los conductores consisten en tecnologías costosas que son capaces de alcanzar mediciones fieles y precisas. Sin embargo, a pesar de su costo de inversión; el beneficio de contar con dichas tecnologías es alto debido a que representan una adecuada estrategia para maximizar la eficiencia de la infraestructura de una red de transmisión, así como para transportar energía a menor costo. No obstante, la mayoría de estas tecnologías son dispositivos de medición directa e invasivos, es decir, deben estar montados sobre el cable para realizar de manera adecuada y precisa las mediciones para las que fueron diseñados. Además, su costo de instalación en la línea puede ser elevado. En la actualidad, algunos dispositivos son capaces de medir directamente la tensión presente del conductor (ya sea localmente o en sus extremos) así como su temperatura (en diferentes puntos o distribuida) y/o la posición de este.
De acuerdo con la norma CIGRE 498, si se desea conocer los límites dinámicos que presenta una línea de transmisión eléctrica, la relación entre la posición (espacial) del conductor y la temperatura de este debe ser conocida. Es decir que, para cada flecha1 presente en el conductor, se debe definir la temperatura que éste presenta, considerando sus propiedades físicas de elasticidad y comportamiento de expansión térmica. A partir de dicha relación, la corriente que corresponde a la máxima temperatura permisible por el conductor o la flecha máxima permisible puede ser calculada. Tradicionalmente, diversas técnicas indirectas para medir la flecha que presenta un conductor han sido desarrolladas. Entre estas, parámetros tales como la temperatura del conductor y la velocidad del viento deben ser medidas para luego poder calcular la flecha que presentará el conductor [7].
Además, según dicha norma dos de los principales objetivos para determinar los límites de transmisión de un conductor eléctrico consisten en:
1. Determinar la flecha actual del conductor dentro de rangos críticos y su temperatura correspondiente y,
2. Comparar la flecha actual con la máxima permisible según el lugar donde el conductor se encuentre, así como la máxima temperatura permisible para que el conductor funcione eficientemente.
De esta forma, con el uso de la información adquirida por los sistemas de medición será posible tomar decisiones que permitan amortiguar las condiciones actuales de la línea para lograr alcanzar las regulaciones de seguridad deseadas.
Así también, tener un sistema de monitoreo que permita supervisar que una línea de transmisión eléctrica no rebase sus límites de temperatura para asegurar su correcta operación es una de las principales preocupaciones.
1 En líneas de transmisión eléctricas aéreas, la flecha (sag) se refiere a la distancia comprendida entre el punto máximo del soporte (poste) y el punto más bajo presente en el conductor.
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Debido a que la ampacidad de un conductor se encuentra directamente ligada a su capacidad térmica, monitorear la temperatura de un conductor previene y reduce los riesgos de presencia de recocido en el mismo [8]. Cuidar la integridad física de los conductores de alta tensión permite, por ende, elevar su rendimiento, longevidad y eficiencia de transmisión.
Además, monitorear la posición de un conductor dentro de una línea de transmisión aérea no sólo tiene importancia debido a que se maximiza su periodo de vida o mejora su rendimiento, sino que el monitoreo constante de la flecha presente en el conductor busca también cumplir con cuestiones de seguridad.
Cuando una línea de transmisión es incorporada, es de gran importancia que los conductores sean ajustados dentro de límites seguros de tensión. Si los conductores son sujetados bajo altos niveles de tensión, el esfuerzo a lo largo de los mismos aunado a su peso podría alcanzar niveles críticos provocando daños mecánicos y hasta rupturas en el cable. De esta forma, para asegurar que el conductor no se encuentre bajo altos niveles de esfuerzo, estos son pendidos de tal forma que se forme una flecha. De acuerdo con [9]; la mayoría de los conductores eléctricos son instalados a bajos niveles de tensión iniciales que irían entre el 15 y 25 por ciento de su máximo rango de resistencia al esfuerzo mecánico adaptando así, la forma de una catenaria. Sin embargo, la flecha presente en todos los cables pendidos por dos postes también debe cumplir con límites de seguridad. Así, la distancia entre el punto más bajo del conductor y el suelo o algún otro elemento debajo de la línea en el momento de máxima flecha no debería ser mayor a una distancia especificada (típicamente entre 6 y 12 metros), dependiendo del voltaje en el conductor, la naturaleza del lugar y las regulaciones locales [10]. Monitorear que las flechas de los conductores no excedan dichos límites de seguridad es, por tanto, de gran relevancia.
Las líneas de transmisión aéreas además sufren cambios en sus parámetros mecánicos debido a las variaciones climatológicas y los cambios en la intensidad de corriente que circula a través de los cables. Estos cambios se ven directamente reflejados en el aumento o decremento de la longitud del conductor. Este cambio de dimensiones en la longitud altera la distancia existente entre la línea y el suelo en cada tramo de postes, poniendo en riesgo el sistema de transmisión en general y los elementos que se encuentran cerca y/o alrededor del sistema de transmisión cuando este excede los límites de flecha máximo permitidos [11]. Como se ha mencionado previamente, los límites permitidos para las flechas y tensiones mecánicas presentes en un conductor están sujetos a las normas y regulaciones del país o lugar donde se encuentran.
Según la normativa nacional mexicana DCDLTA01 de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), las tensiones mecánicas de los cables deben ser calculadas mediante la ecuación de cambio de estado en conductores. Además, estipula que la tensión mecánica del cable conductor en condiciones de temperatura media sin hielo será máxima del 22% respecto a la tensión de ruptura del cable [12].
En conclusión, la implementación de un sistema que permita supervisar el estado actual de los conductores dentro de las líneas de transmisión aérea es
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de gran importancia para la solución de problemáticas tales como la presencia de congestiones eléctricas, fallas en los sistemas de distribución y faltas a las normas de seguridad. El actual sistema nacional de transmisión eléctrica ha presentado fallas debido a la disparidad existente debido a que las zonas de alta producción energética no son las mismas que las de alta demanda. Debido a esto, el sistema de distribución nacional ha presentado problemas de congestión eléctrica a lo largo de los corredores de energía. Así también, debido al crecimiento poblacional, la demanda y consumo de energía incrementa y seguirá haciéndolo. El reto actual consiste por tanto en transportar cada vez más potencia a través de los sistemas de distribución existentes sin que los problemas de congestión eléctrica se presenten o en su defecto, supervisar que la incidencia de fallas y congestiones disminuya en las líneas y redes de distribución. Por consecuencia, es importante comenzar a encontrar métodos que permitan incrementar la capacidad de las líneas de transmisión existentes sin aumentar los riesgos por falla, pérdidas y/o envejecimiento acelerado de la infraestructura en los sistemas de transmisión. Así también, conocer la flecha que presenta el conductor permitirá realizar estimaciones sobre la temperatura de operación presente en el cable; un factor importante para prevenir daños en el mismo. Realizar una supervisión exhaustiva durante periodos de temperaturas ambientales elevadas, así como de alta demanda y consumo permitirá prevenir que los cables eléctricos rebasen sus límites térmicos de operación, optimizando así la capacidad de las líneas y previniendo riesgos potenciales de seguridad debido a problemas con la flecha eléctrica.
Finalmente, una manera de supervisar la operación confiable de los sistemas de transmisión es mediante la utilización de tecnologías modernas de monitoreo que permitan observar constantemente el desempeño de las líneas eléctricas. A su vez, estos sistemas de monitoreo permitirán conocer en tiempo real las condiciones físicas actuales en la línea para identificar y predecir futuras fallas. Construir un sistema de monitoreo que sea capaz de evaluar las propiedades físicas presentes en una línea de transmisión y que además presente la característica de no tener que estar montado sobre la línea representa una ventaja para el usuario. Así, la creación de un sistema semiautónomo que sea capaz de detectar los conductores dentro de una línea de transmisión eléctrica, así como evaluar las flechas que presenta cada cable y extraer sus parámetros físicos mediante la utilización única de una cámara y técnicas de visión representó la principal guía y motivación durante el desarrollo del presente proyecto de investigación.
1.2 Hipótesis y preguntas de investigación.
Ha sido comprobado que la forma de la catenaria que presenta un cable conductor en una línea de transmisión eléctrica es directamente proporcional a su temperatura [7]. Debido a que muchos de los dispositivos de medición actuales para la temperatura, flecha y tensión deben ser incorporados sobre el conductor, debería existir una forma de hacer dichas técnicas de monitoreo más seguras y confiables para los operarios. Por tanto, la implementación de técnicas de visión representa una importante e innovadora implementación para facilitar
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las tareas de evaluación en tiempo real de las propiedades físicas presentes los sistemas de transmisión. Esto significa que mediante el uso de algoritmos para el procesamiento de imágenes es posible estimar la flecha presente en la línea y por consiguiente realizar los cálculos pertinentes para conocer las condiciones de tensión mecánica y temperatura que presenta el mismo en un determinado periodo de tiempo.
Las preguntas que dirigen la presente investigación son:
¿Es posible utilizar una ecuación general que permita asociar aspectos físicos de un conductor con sus parámetros de tensión y temperatura?
¿Es posible obtener las mismas estimaciones para la misma flecha cuando la imagen es tomada diversas ocasiones desde la misma posición?
¿Existe diferencia con significancia estadística entre la media del error en las estimaciones para una misma flecha cuando la imagen es tomada desde diferentes perspectivas?
¿Cuál es la posición(es) angular(es) que menos grado de error presenta(n) al momento de estimar la flecha y la longitud del cable?
¿Cuál es el máximo grado de error que se puede obtener en las estimaciones para una flecha y en qué condiciones se presenta dicho error?
¿Cómo afecta el grado de error y su propagación en la estimación de parámetros tales como la temperatura y la tensión presentes en el conductor?
¿Cuál es el índice de exactitud y precisión que presenta el sistema de medición para temperatura y tensión cuando este es puesto a prueba dentro de condiciones controladas en un laboratorio?
¿Cuáles problemas surgen al implementar el sistema de medición en ambientes no controlados?
1.3 Enfoque de solución.
El objetivo principal del proyecto de investigación consiste en diseñar e implementar un sistema de monitoreo para líneas de transmisión eléctrica aéreas mediante el uso de tecnologías y técnicas de visión con la capacidad de detectar la presencia de conductores dentro de un determinado corredor, así como para evaluar las propiedades físicas tales como flecha eléctrica, tensión y temperatura actuales que presenta el cable, a fin de proporcionar información oportuna para la toma de decisiones referentes al cuidado de la línea, la optimización de su operación y el cumplimiento de las normas y regulaciones de seguridad durante todo su tiempo de operación.
Así mismo, los objetivos particulares del presente trabajo de investigación consisten en:
Desarrollar modelos matemáticos capaces de describir el comportamiento de los cables, así como los cambios que presentan a lo largo del tiempo.
Derivar y definir, a partir del estudio general de los comportamientos térmicos y elásticos de conductores eléctricos, la ecuación de cambio de
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estado que será utilizada para obtener la relación entre la variación de flecha, variación de tensión y variación en temperatura presente en un determinado cable.
Diseñar un algoritmo de visión semiautónomo que sea capaz de detectar catenarias dentro de corredores definidos por el usuario, así como extraer las líneas que observa y realizar ajustes matemáticos que definan la forma del conductor de tal forma que sea posible estimar la flecha eléctrica y longitud que presentan.
Realizar pruebas del sistema de visión dentro de un laboratorio con un escenario controlado, de tal manera que se pueda analizar el grado de error y la precisión del algoritmo entre los resultados estimados y los reales.
Definir las posiciones adecuadas para la captura de imágenes, así como las condiciones óptimas para el correcto funcionamiento del sistema de visión.
Implementar el sistema de visión en escenarios reales para analizar su desempeño y mejorar la robustez de este.
Analizar y discutir los resultados obtenidos de la implementación del sistema, su precisión y exactitud al momento de realizar estimaciones;
así como también definir futuros trabajos de mejora que en investigaciones posteriores pudieran realizarse.
1.4 Contribuciones previas.
La aplicación de técnicas de visión ha obtenido un auge importante en muchas tareas de automatización, sin embargo, la incorporación de dichas tecnologías no ha visto un gran crecimiento en cuanto a sistemas de monitoreo para líneas de transmisión respecta [13]. Las inspecciones de línea, ya sea por rutina o en cuestiones de emergencia como tormentas, huracanes o terremotos generalmente son llevadas a cabo por equipos de inspectores que con ayuda de instrumentos (binoculares, cámaras de detección de efectos de corona, equipos infrarrojos, etc.) son capaces de evaluar los daños en los conductores [14]. La ventaja de realizar inspecciones visuales radica en que amplias secciones de las líneas pueden ser evaluadas para la detección de múltiples fallas. Sin embargo, desarrollar metodologías para evaluación de conductores utilizando sistemas de visión puede presentar diversas desventajas al momento de procesar la información extraída por cámaras. Entre las problemáticas que se pueden presentar al momento de utilizar sistemas de visión en la detección y evaluación de líneas aéreas de transmisión se encuentran:
Problemas de perspectiva. La perspectiva juega un papel de gran importancia al momento de evaluar la información contenida dentro de una imagen. En múltiples ocasiones, es necesario incorporar metodologías que permitan reconstruir una imagen de tal forma que secciones de interés puedan ser resaltadas para su debido análisis. En múltiples ocasiones, tomar una imagen frontal de un segmento de corredor en un sistema de transmisión puede resultar una tarea muy complicada. Debido a esto, las imágenes generalmente presentan distorsión en su contenido. Las deformaciones de perspectiva ocurren en situaciones cuando el objeto de interés (postes o torres) se encuentra
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ubicado en cierto ángulo en relación con el objetivo de la cámara. Como resultado de esto, los objetos más cercanos a la cámara presentan tamaños de proporción mayor a aquellos que se encuentran más alejados [15].
Presencia de ruido de fondo. En muchos casos, la información contenida dentro de una imagen es mayor a la deseada. En el caso de los sistemas de monitoreo y detección de líneas de transmisión que utilizan técnicas de visión, la presencia de vegetación, nubes dispersas, edificios y diversos factores que no son de interés pueden formar parte del contenido dentro de una imagen. Además, debido a que las líneas de transmisión suelen recorrer largas distancias sobre terrenos complejos, la naturaleza de los objetos contenidos en el fondo de una misma imagen puede variar entre un tramo de postes y otro. Por tales motivos, técnicas robustas que permitan segmentar el contenido no deseado, así como extraer los datos de interés dentro de la imagen deben ser implementados. Así, diversas metodologías que permiten discriminar ruido de fondo para poder extraer las características de las líneas han sido desarrolladas. La extracción de las líneas dentro de una imagen por medio de operaciones tales como la morfología matemática y transformaciones de Hough han sido utilizadas ampliamente.
Baja calidad de imagen. Debido a que los corredores de distribución presentan largas distancias entre postes y a que no siempre se puede conseguir alcanzar una posición adecuada para capturar un escenario completo en la imagen, el contenido dentro de la misma puede presentar una calidad no óptima. Contar con cámaras de alta resolución que permitan capturar todo el escenario de interés con alta calidad de imagen resulta costoso. Por tal motivo, es necesario utilizar técnicas que permitan resaltar las secciones de interés, así como resaltar los contornos en las líneas de tal manera que se puedan facilitar las etapas de segmentación y extracción de líneas dentro de los algoritmos de visión. Para tales fines, el mejoramiento en imágenes de baja resolución puede ser llevada a cabo mediante la implementación de filtros que permitan suavizar o realzar el contenido dentro la misma según sea conveniente.
El presente apartado presenta algunos antecedentes y trabajos que han buscado dar solución a las problemáticas previamente planteadas. Además, las contribuciones que se mencionan han aportado al desarrollo del algoritmo de visión que fue desarrollado para el proyecto de investigación.
En [16], se aborda la problemática de la detección de líneas de transmisión que se encuentran sobre fondos complejos, específicamente, cuando el fondo es de vegetación. En este caso particular, se intenta dar solución al problema a través del análisis de imágenes capturadas con vehículos aéreos no tripulados sobre los conductores para así obtener tomas aéreas (donde los cables eléctricos presentan formas de líneas rectas a lo largo de la imagen). Los drones son capaces de volar a una altura superior a los postes de transmisión y grabar el estado de estas durante un determinado periodo de tiempo. El algoritmo propuesto consta de tres etapas, dos de preprocesamiento y una de extracción. En las etapas de preprocesamiento, la imagen es transformada a una del tipo binaria, donde a partir de un umbral adaptativo de intensidad cada píxel
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toma uno de dos valores (0 o 1). Una vez completado el proceso de binarización, mediante el uso de operadores morfológicos a lo largo de las imágenes es posible eliminar (mediante operaciones de erosión de imagen) todo el ruido de fondo. Las líneas de transmisión son finalmente extraídas después de realizar las tareas de limpieza mediante el uso de detecciones heurísticas para los conductores. La principal ventaja que presenta el algoritmo radica en la capacidad para segmentar las líneas de transmisión de su fondo, ya que mediante el uso de técnicas morfológicas (erosión) elimina la información de pixeles que no presentan formas de líneas. Sin embargo, si el conductor a lo largo de la imagen no presenta un grosor uniforme, se hace más complicado distinguir éste del fondo. La Figura 1.1 muestra algunos resultados obtenidos de la implementación del presente algoritmo, en éste, es posible visualizar en a) la imagen que se analizó, en b) la imagen binarizada, en c) la imagen una vez se ha aplicado la erosión (se suprime gran cantidad de pixeles que no presentan formas de líneas y se retienen las líneas de transmisión) y en d) los resultados obtenidos por el algoritmo una vez extraídas de manera heurística las matrices que presentaban líneas de datos. Como se puede observar, el algoritmo propuesto resuelve de manera adecuada el problema de segmentación de fondo sin embargo no es robusto para detectar fielmente y de forma completa las líneas de transmisión presentes dentro de una imagen.
Por otra parte, en [17] se presenta un enfoque para poder extraer la posición de una línea de transmisión dentro de una imagen mediante el uso de transformaciones proyectivas para reconstruir el contenido dentro de las fotografías. En el algoritmo desarrollado por Baker et al., la imagen es reconstruida para eliminar problemas de perspectiva en las imágenes tomadas y traer el contenido de la imagen a un plano completamente frontal al de la
a)
c) d)
b)
Figura 1.1 Resultados obtenidos por Sharma et al., a) la imagen de entrada cuyas líneas pretenden ser extraídas, b) imagen binarizada después de un umbral adaptativo, c) imagen después de aplicar erosión a elementos que no son
líneas, d) extracción y detección de líneas de transmisión [16].
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cámara. Esto ocasiona que las líneas de transmisión presentes en la imagen tomen formas de parábolas y catenarias. Una vez conocida la ecuación matemática que define a las líneas de transmisión (parábolas), mediante el uso de transformaciones de Hough es posible extraer su posición dentro de la imagen. La transformada de Hough es una técnica que permite ubicar líneas rectas (o intervalos de líneas), círculos, curvas algebraicas y figuras con formas específicas [18]. A su vez, cada una de dichas líneas puede ser definida por una ecuación particular [19]. El pseudocódigo se encuentra definido en [17].
Además, debido a que la implementación de transformaciones de Hough debe ser realizada a imágenes binarizadas, en el algoritmo presentado también es necesario realizar una etapa para el preprocesamiento de imagen. En este, filtros para suavizar y encontrar contornos son computados (filtro gaussiano y gradiente respectivamente), así como también se aplicó un umbral para la binarización de la imagen y morfología matemática para adelgazar los bordes y contornos obtenidos por la binarización.
La principal ventaja de utilizar las técnicas de Hough consiste en que el reconocimiento de patrones se convierte en un ejercicio simple para detectar picos de frecuencia. Además, este algoritmo es robusto para resultados de segmentación. Por otra parte, la detección de formas complicadas implica la búsqueda de coeficientes para ecuaciones más complejas lo que se reduce en un algoritmo con mayor costo computacional. Así también, como se concluye en la implementación de dicho algoritmo, una problemática que se presentó fue que cuando dos líneas de transmisión se encuentran muy cercanas entre sí, estas podrían ser agrupadas en una sola ecuación presentando errores en la detección de los conductores. La Figura 1.2 muestra los resultados obtenidos de emplear las transformaciones paramétricas en la detección de líneas parabólicas. En 1.2 a) se visualiza la imagen tomada para ser analizada, en 1.2 b) se observa una rectificación proyectiva donde la fotografía es reconstruida de tal forma que se elimina el efecto de perspectiva (la imagen se reconstruye a un plano frontal a la cámara), en 1.2 c) la imagen es filtrada y binarizada a través del uso de un umbral, en 1.2 d) se observa la parábola graficada una vez que se obtuvieron los coeficientes por transformaciones de Hough, finalmente, en 1.2 e) se muestra la transformación de coordenadas de la imagen rectificada a la original, 1.2 f) es el resultado para todas las líneas detectadas. Como es posible observar, el algoritmo permite conocer cada una de las ecuaciones de las curvas parabólicas presentes en la imagen, por tal motivo, se grafica una curva sin límites, lo que puede observarse en la imagen 1.2 f) como detecciones que no presentan principio y final de las líneas de transmisión.
A su vez, se han implementado tecnologías que permiten el monitoreo constante de las condiciones físicas de los cables de alta tensión. Generalmente, equipos de operarios suelen realizar las tareas de evaluación de daños y diagnóstico de fallas, así como de planeación para estrategias de mantenimiento. Una técnica que se ha empleado ha sido la inspección asistida por helicóptero, en la que un equipo formado por dos o tres integrantes, un piloto un supervisor y/o un operador con cámara; es enviado para supervisar las condiciones físicas actuales de los conductores mediante la toma de video y/o fotografías para detectar fallas, así como observar problemas inminentes (crecimiento de árboles muy cerca de los cables, presencia de objetos extraños, entro otros). Este tipo de métodos de inspección permite el acceso a ubicaciones
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muy difíciles de alcanzar y aumenta la velocidad de las inspecciones, sin embargo, presenta las desventajas de ser una estrategia muy costosa, capturas de video o toma de fotografías de con baja calidad o no óptimas debido al movimiento del vehículo aéreo y riesgos de seguridad en general [20]. Debido a que lo que se desea es tener campos de visión y perspectiva amplios de las líneas (como los que se pueden alcanzar sobre un helicóptero) sin correr el riesgo de pérdidas por cuestiones de seguridad, se ha buscado implementar tecnologías que presenten los mismos beneficios. La implementación de drones autónomos dotados con inteligencia artificial para la detección de líneas de transmisión ha sido un campo de estudio que ha representado mucho auge.
En [21], se presenta un sistema de navegación que permite a un dron autónomo ser capaz de acercarse a una torre de línea de transmisión aérea para permitir la inspección de los conductores. Las técnicas de visión implementadas en el algoritmo propuesto consisten en la aplicación de redes neuronales convolucionales para permitir la detección y reconocimiento de torres de alta tensión, así como también la extracción de la posición de los conductores. Sin embargo, es importante mencionar que el gasto computacional al momento de realizar las tareas de reconocimiento en tiempo real utilizando técnicas de aprendizaje profundo puede ser elevado. A su vez, el nivel de eficiencia y precisión del sistema de visión queda directamente ligado al nivel de entrenamiento que se le dio, es decir, para obtener menor grado de error es necesario presupuestar un mayor tiempo y cantidad de información para la etapa de aprendizaje y entrenamiento del sistema.
Otras tecnologías que se han implementado para dar solución a la problemática de detección de líneas aéreas de transmisión mediante el uso de sistemas de visión se pueden observar en [22]. En este artículo, se mencionan técnicas para el procesamiento de imágenes en 2D. A su vez, se menciona cómo gran parte de los algoritmos existentes para tales fines cuentan con una misma estructura: una primera etapa que consiste en convertir la imagen a una binarizada con segmentos de líneas, una segunda etapa de filtrado de ruido
a) b) c)
e) d) f)
Figura 1.2 Resultados obtenidos por Baker et al., a) la imagen de entrada cuyas líneas pretenden ser extraídas, b) imagen con transformación proyectiva, las líneas presentan formas de parábolas, c) imagen b) binarizada, d) resultado
de graficar la ecuación con coeficientes obtenidos con transformaciones de Hough, e) los resultados en d) son proyectados a la imagen original, f) el procedimiento d)-e) es repetido para todas las líneas presentes en la rectificación. Los gráficos en f) denotan que no se ha definido el final de los cables para cada detección [17].
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donde se pretende eliminar cualquier información que no represente ser una línea de transmisión, así como conectar y/o agrupar los segmentos de líneas discontinuas y; la tercera etapa que consiste en la extracción de la información.
Finalmente, para el desarrollo del presente proyecto de investigación fue necesario analizar modelos matemáticos que definieran el comportamiento de los conductores de alta tensión, así como sus cambios de estado físico a lo largo del tiempo. En primer lugar, comprender la ecuación matemática que define la forma de un cable suspendido en sus dos extremos y que actúa bajo efectos de la gravedad y su propio peso fue estudiada. En segundo lugar, los efectos de los comportamientos elásticos y deformaciones plásticas fueron analizadas para comprender en qué manera la forma de un cable era afectada por dichos elementos, así como la obtención de sus ecuaciones matemáticas. En tercer lugar, el comportamiento de elongación de un conductor debido a sus coeficientes de expansión térmica también fue analizado. Por último, contribuciones para la obtención de ecuaciones generalizadas que describieran el comportamiento físico de los conductores de alta tensión en líneas aéreas de transmisión fueron estudiadas.
En [10], el comportamiento de un cable suspendido en sus extremos es analizado a partir de un análisis de momentos donde se asocia la tensión horizontal, su peso por unidad de longitud y la longitud de tramo (distancia entre postes) con la flecha que presentará. Este enfoque resulta una primera aproximación para asociar la flecha de un cable con algunos de sus componentes físicos. Por otra parte, [23] presenta un modelo matemático que deriva ecuaciones para la longitud de un conductor a partir de factores como la distancia entre soportes, la tensión horizontal y la flecha con base en las características de un conductor con propiedades elásticas. Así también, [24]
estudia la matemática asociada a la respuesta estática de un cable elástico que es suspendido en dos soportes que no necesariamente se encuentran al mismo nivel. Además, estudia el comportamiento de elongación del cable debido a efectos de su propio peso y a cargas verticales que pudieran ser localizadas arbitrariamente a lo largo de su longitud. En [25], el cambio de la estructura de cables elásticos suspendidos cuando están sujetos a condiciones ambientales variables es analizado. El artículo se centra en proveer soluciones exactas y aproximaciones para las ecuaciones que gobiernan al comportamiento de equilibrio estático en catenarias y la relación entre el cambio de temperatura de un conductor con su tensión y la flecha que presenta. Finalmente, [26] presenta la derivación de la ecuación de cambio de estado que permite obtener el incremento de longitud de un conductor debido a sus factores elásticos y térmicos. Aunado a esto, [27] también presenta las ecuaciones que permiten definir la relación entre cambio de longitud de un cable conductor de alta tensión con el cambio en sus propiedades físicas, de esta forma, presenta la ecuación que permite relacionar el cambio de tensión horizontal con el incremento de temperatura que presenta un cable.
Los artículos previamente descritos fueron puntos de partida importantes considerados para el desarrollo y construcción del sistema de monitoreo para que fuera capaz de analizar el estado físico de un cable y extraer los parámetros físicos de interés para el usuario.
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1.5 Organización del documento.
El actual documento sirve como un reporte de cada una de las actividades que fueron llevadas a cabo para la implementación del proyecto de investigación.
El contenido del presente está dividido en seis capítulos cuyos propósitos quedan definidos de la siguiente manera:
Capítulo 2: Este capítulo introduce conceptos generales sobre sistemas de transmisión y distribución eléctrica. A su vez, explica a detalle la matemática que define el comportamiento de los cables conductores, así como la derivación de ecuaciones que fueron utilizadas para asociar la flecha de la línea con sus propiedades físicas de tensión y temperatura.
Capítulo 3: Este capítulo introduce cada una de las técnicas existentes de visión que fueron utilizadas para el desarrollo del sistema de medición construido. A su vez, pretende ser la parte medular del proyecto, ya que explica la lógica de programación que fue implementada en el algoritmo, así como también la forma en la que este realiza la tarea de medir la flecha presente en cualquier cable.
Capítulo 4: Este capítulo describe la metodología seguida para la implementación del sistema de medición, así como la descripción de cada uno de los elementos considerados para el desarrollo de las pruebas de laboratorio.
A su vez, describe el lugar (ambiente no controlado) donde el prototipo del sistema de visión fue probado.
Capítulo 5: En este capítulo, los resultados obtenidos del desempeño del sistema de medición es analizado. En primer lugar, se analizan los resultados obtenidos en las pruebas de laboratorio cuando los experimentos eran sobre un escenario controlado. A su vez, se presentan los resultados obtenidos en cada una de las etapas desarrolladas por el algoritmo, desde la entrada de la imagen a analizar, hasta las estimaciones de flecha obtenidos. Se presentan a su vez los resultados de pruebas de significancia estadística pertinentes que fueron llevadas a cabo para conocer la precisión del sistema de medición en la extracción de los parámetros físicos. A su vez, se presentan los resultados obtenidos cuando el sistema de visión fue implementado en escenarios reales, así como los ajustes que tuvieron que ser considerados.
Capítulo 6: Finalmente, se exponen las conclusiones y discusiones que pudieron realizarse a partir de los objetivos logrados en la presente investigación.
Así también, se presentan ideas sobre trabajos a futuro que deberían realizarse en caso de dar seguimiento a los resultados presentados en la presente tesis de investigación.
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Capítulo 2 Líneas de transmisión eléctrica aéreas.
Las líneas de transmisión eléctricas representan una manera simple y fácil para transferir la potencia eléctrica de un punto a otro. La potencia eléctrica puede ser traslada por medio de sistemas de distribución aéreas y subterráneas, sin embargo, los sistemas de distribución aéreas son más comunes debido a que presentan diversas ventajas:
1. Debido a que la energía eléctrica debe ser transportada a través de largas distancias desde centrales de generación hasta zonas de consumo, construir líneas de transmisión subterráneas representa un alto gasto de inversión.
2. Los sistemas de transmisión y distribución están diseñados para transportar altos niveles de voltaje, esto requiere de grandes medidas de seguridad. Un sistema de transmisión aérea presenta la facilidad de ser monitoreado de manera más sencilla que uno subterráneo haciendo más fácil la implementación de sistemas de control para la transferencia de potencia. Así también, el mantenimiento de los sistemas aéreos resulta más sencillo de implementar que el de los subterráneos.
Debido a la seguridad que presentan, su ventaja económica y su facilidad de monitoreo y control, los sistemas de transmisión eléctricos aéreos son mayormente implementados [10]. Los sistemas de transmisión aéreos son construidos mediante el uso de conductores de metal desnudo que son suspendidos en sus extremos a través de aislantes.
A pesar de las ventajas de la implementación de un sistema de transmisión eléctrico aéreo, es importante comprender que este tipo de sistemas se encuentran bajo efectos de diversos factores como lo es el clima y las condiciones ambientales. Dichos factores influyen directamente en el desempeño y la operación de conducción de los cables, así como también genera efectos en el comportamiento físico de los mismos. Por tales motivos, la necesidad de implementar mecanismos adecuados de seguridad para lograr un funcionamiento continuo en las líneas es de gran importancia. Así también, la fuerza estructural que presente una línea de transmisión debe ser capaz de soportar las peores condiciones climatológicas posibles. De esta forma, los elementos utilizados para construir los sistemas de transmisión y distribución eléctrica deben presentar ciertas características en particular.
Un sistema de transmisión eléctrico aéreo está compuesto principalmente de los siguientes elementos:
Conductores: son los responsables de la transferencia de potencia desde una estación emisora a una receptora.
Soportes para sujetar a los cables: pueden ser postes o torres. Su principal objetivo consiste en sujetar en sus extremos a los cables conductores a un nivel apropiado sobre el nivel del suelo.
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Aislantes: elementos que ayudan a conectar los conductores a los soportes. Su principal objetivo es evitar que se presenten fugas eléctricas en los conductores y que este se filtre a la tierra a través de las estructuras de los postes o torres.
Estructuras rígidas: con materiales de cobre, acero o concreto reforzado para garantizar mayor estabilidad mecánica ante diversos factores externos (por ej. climatológicos) a los soportes del sistema.
Elementos diversos como platos guía para las fases, entre otros.
Así, un sistema de transmisión eléctrico aéreo debe considerar no solo las características de transmisión para el que será implementado sino las condiciones del lugar en donde será construido. Por tales motivos, el diseño de las estructuras de los soportes para los sistemas de transmisión debe considerar las características de transmisión deseadas para la línea, la distancia del tramo, así como las condiciones del terreno y lugar donde se desean implementar. Los soportes pueden ser de diversos materiales y estos dependerán principalmente de factores como la distancia entre soportes, el voltaje de la línea y/o el peso por unidad de longitud que presente el conductor, entre otros. En [10], se muestran las características mecánicas que presentan los diferentes soportes empleados para las líneas de transmisión. Entre los materiales utilizados para construir los soportes de líneas de transmisión se encuentra la madera, el acero, el concreto reforzado y el enrejado de acero. El presente proyecto de investigación se limitó a analizar sistemas de transmisión eléctrica de sistemas típicos de 110 kV. Los soportes utilizados para este tipo de líneas de transmisión están compuestos por los siguientes materiales:
Postes de concreto reforzado. La principal ventaja de este tipo de postes es su alta resistencia mecánica y longevidad. A su vez, permiten la incorporación de líneas más largas de transmisión. Generalmente, los postes de concreto reforzado pueden ser utilizados para la implementación de líneas con circuitos sencillos o dobles (esto es, si un circuito falla la continuidad de potencia es garantizada mediante la incorporación del circuito altero). Su altura típica es de 10 metros.
Torres de acero. Son empleados en líneas de transmisión aéreas de alto voltaje en distancias largas. Al igual que el concreto reforzado, estos soportes tienen una gran resistencia al esfuerzo mecánico, así como también son capaces de contener condiciones climatológicas severas.
Este tipo de soportes también pueden ser diseñados para transportar circuitos sencillos o dobles. Las torres de acero que transportan 220 kV suelen estar a una distancia promedio mínima de 320 metros entre sí además de presentar alturas de 41.6 metros.
A su vez, los aislantes eléctricos son los elementos que conectan los conductores a los soportes de los postes o torres. Su principal objetivo consiste en evitar que la corriente que pasa a través de los cables no llegue a tierra por contacto con los postes o torres. Los aisladores presentes en un sistema de distribución eléctrica deben ser considerados por su importancia en materia de seguridad. Además, como son los elementos que conectan los cables a los soportes, deben ser considerados como una extensión de los conductores eléctricos. Los tipos de aislantes empleados en la implementación de sistemas de transmisión están sujetos al voltaje de línea a implementar [13].
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En la actualidad existen diversos tipos de conductores empleados para la construcción de sistemas de transmisión eléctrica y estos se diferencian entre sí debido a los materiales que los constituyen. Como se menciona en [28], el aluminio representa un material ligero y barato en comparación al cobre, sin embargo; presenta una menor conductividad y capacidad de esfuerzo a la tensión mecánica. Los conductores de aluminio presentan características generales que, incluyendo su costo, capacidad de conductividad, nivel de esfuerzo a la tensión y peso son una ventaja en comparación al cobre.
Existen muchos tipos de conductores de aluminio en la actualidad. Entre los más comerciales (utilizados) para la construcción de sistemas de transmisión eléctrica se encuentran los conductores de aluminio con acero reforzado (ACSR por sus siglas en inglés), conductores de sólo aluminio (AAC por sus siglas en inglés) y los conductores de aleación de aluminio (AAAC por sus siglas en inglés). Los conductores ACSR son los más utilizados en líneas de transmisión aéreas. Este tipo de conductores están conformados por capas alternas de hilos de aluminio trenzados, con configuración en espiral en direcciones opuestas para mantenerlos unidos, todo esto rodeando a un núcleo de hilos de acero [29].
Las flechas presentes en los conductores del tipo ACSR no son tan pronunciadas (gracias a su ligereza) permitiendo que líneas de transmisión de mayor distancia puedan ser implementadas. Además, la relación entre hilos de aluminio y acero influye mucho en las propiedades que presentará el conductor. Por tanto, la razón entre el área de hilos de aluminio presentes contra hilos de acero afecta al módulo de elasticidad y el coeficiente de elongación térmica que presentará durante su etapa de operación [30].
Cada uno de los elementos que conforman una línea de transmisión aérea desarrolla una tarea importante para el correcto funcionamiento del sistema. Es importante conocer las características físicas presentes en el tramo que se desea evaluar, así como conocer las características del conductor que se está evaluando para saber cuáles son las propiedades físicas que presenta.
2.1 Gestión dinámica de líneas eléctricas.
En los conductores de las líneas de transmisión es necesario realizar una correcta evaluación de las propiedades mecánicas y eléctricas para controlar su correcto funcionamiento, longevidad y eficiencia. Entre las propiedades que son de interés para el monitoreo de los cables conductores se encuentran principalmente su ampacidad, rangos de temperatura para su operación, esfuerzo, peso, tasa de fluencia, resistencia a la fatiga y corrosión, coeficientes de expansión térmica y elástica, así como sus niveles de estabilidad térmica [31].
Una de las propiedades a monitorear dentro de un sistema de transmisión que resulta de gran importancia es la ampacidad de la línea. La ampacidad es la capacidad que presenta un conductor para transportar la máxima cantidad de corriente eléctrica de manera continua bajo condiciones normales de uso sin que éste exceda sus límites permisibles de temperatura [8].
Esta propiedad eléctrica está determinada principalmente por la resistencia eléctrica del conductor y el calor que disipa a lo largo de su superficie [32].
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El desempeño, longevidad y eficiencia en la transmisión eléctrica de los conductores también depende de todos los factores externos que rodean a los cables. La capacidad de transmisión de las líneas eléctricas aéreas varía dinámicamente de acuerdo con las condiciones presentes en el medio ambiente donde estén ubicadas. Así, es posible obtener evaluaciones más completas sobre las condiciones actuales de los cables a la vez de poder tomar decisiones más justificables respecto al control de la capacidad de transmisión eléctrica en la línea. Entre los factores externos que afectan el comportamiento y la capacidad de transmisión de los conductores se encuentran:
a) Velocidad del viento. Este factor es de los de mayor importancia debido a que consiste en el principal elemento que ayuda a reducir la temperatura presente en el conductor. Debido a que la temperatura de un conductor se relaciona con la flecha que presenta, la velocidad del viento se convierte en un factor que afectará a la flecha que presenta el conductor.
b) Dirección del viento. El ángulo de incidencia del viento también es un factor para considerar ya que es un elemento que puede generar errores en la medición de flechas, especialmente cuando este choca directamente contra la superficie del conductor.
c) Temperatura ambiente. Esta representa otro parámetro externo de gran importancia para la eficiente transmisión de energía a través de los conductores.
La temperatura del conductor define directamente la ampacidad de la línea. La temperatura ambiente, por tanto, influye en que tan apto será el conductor de disipar al medio el calor producido debido al efecto Joule, así como también es uno de los elementos principales que definen qué temperaturas un cable puede llegar a alcanzar.
d) Precipitaciones. La precipitación tanto en forma de lluvia como sólida (granizo o nieve) afecta al funcionamiento de las líneas de transmisión. Mientras la lluvia puede ser considerada como un elemento de enfriamiento para las líneas de transmisión, la carga de sedimentos de nieve y hielo harán que las líneas caigan presentando mayores flechas. En la actualidad, existen estudios donde se modelan los rangos dinámicos de conductores considerando la incorporación de precipitaciones de hielo y nieve. Para efectos prácticos respecto al lugar donde se implementó el presente proyecto, dichos modelos no fueron analizados.
e) Radiación solar. La radiación solar se convierte en la principal limitante para el desempeño de una línea de transmisión debido a que puede aumentar la temperatura del conductor a niveles aún más elevados que la temperatura ambiente del lugar.
Cuando un conductor es instalado dentro de una línea de transmisión eléctrica aérea, este es instalado de tal forma que se presente la mínima distancia posible entre el conductor y el suelo (claro eléctrico). De esta forma se busca cumplir con condiciones de seguridad, así como también condiciones que afectan directamente al periodo de vida del conductor, como lo es la resistencia al esfuerzo de tensión al que se le somete. El monitoreo y constante control sobre la dinámica de la flecha presente en los conductores es una de las principales herramientas para evaluar las condiciones de funcionamiento del sistema de transmisión eléctrico. Debido a esto, el claro eléctrico o la flecha del conductor deben ser evaluados para encontrar la máxima temperatura permisible para el
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cable, así como también la evaluación de la posible presencia de daños irreversibles en el mismo.
La Figura 2.1 muestra un diagrama sobre los diferentes estados de cambio que puede presentar un cable cuando es suspendido por sus extremos, así como el cambio de flecha a lo largo del tiempo. En un inicio, los cables conductores son colgados a tensiones que permitan una flecha inicial de tal forma que el esfuerzo mecánico del conductor no sea elevado. Conforme avanza el tiempo, el peso del cable comienza a hacer que la flecha crezca y que su longitud dentro del tramo aumente. Además, su longitud puede aumentar debido a precipitaciones y a cargas sólidas sobre el cable. Finalmente, un conductor presenta una flecha más pronunciada cuando este es sometido a cargas eléctricas máximas que producen que su temperatura aumente. A mayor temperatura en el conductor mayor será la flecha que este presentará.
2.1.1 Técnicas de monitoreo para la gestión dinámica de líneas de transmisión.
Los métodos basados en el control de rangos dinámicos en líneas de tecnologías que son capaces de medir las condiciones físicas del conductor con el objetivo de evaluar la posibilidad de aumentar de forma dinámica la ampacidad de las líneas aéreas de transmisión eléctrica. Así, las técnicas del DLR buscan optimizar las propiedades eléctricas del conductor a partir del monitoreo de ciertos parámetros presentes en el mismo. Una de las características particulares de dichas técnicas es el requerimiento de mediciones en tiempo real, así como la recolección de datos e historial del funcionamiento de los sistemas de transmisión.
Figura 2.1 Cambios de flecha que presenta un conductor eléctrico cuando es colgado por sus extremos.
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Las técnicas de DLR también son conocidas como técnicas de monitoreo
de rang l-
decir, el monitoreo constante de la temperatura de los conductores eléctricos. La corriente eléctrica que pasa a través de un conductor causará que éste se caliente de acuerdo con la primera ley de Joule, este fenómeno resulta en la expansión de un conductor, así como el aumento de su flecha. Las técnicas de RTTR buscan regular los rangos de transmisión eléctrica a partir de la temperatura máxima permisible en el conductor (temperatura de recocido), así como de las normas para claros y/o flechas eléctricas establecidas por legislaciones y regulaciones del lugar donde se encuentre el sistema [33].
Además, la capacidad de la mayoría de las líneas de transmisión cuya longitud está por debajo de aproximadamente las 60 millas, está limitada por sus restricciones térmicas más que por efectos de caída de voltaje o límites de impedancia [34].
Las técnicas de monitoreo de DLR utilizan tecnologías de medición directas. Dichas tecnologías son dispositivos que se montan sobre las líneas eléctricas y permiten conocer los parámetros de interés de estas. Su principal objetivo consiste en alcanzar la máxima capacidad de transmisión eléctrica en las líneas a la vez que mitigar el riesgo de congestiones eléctricas, así como la presencia de daños físicos en los conductores. A su vez, son una herramienta fundamental para evaluar el correcto funcionamiento del sistema, su desempeño y la calidad de vida de cada uno de sus elementos. Entre las técnicas más innovadoras se encuentra el cálculo de la flecha que presenta la línea de transmisión, la flecha es asociada a la temperatura que presenta el conductor y a partir de dichos parámetros se evalúa cuánta más corriente es capaz de transportar el conductor analizado.
Según la norma CIGRE 498, en función de la tarea que se desea realizar en la línea de transmisión, ciertas tecnologías de medición deberán ser escogidas sobre otras:
Si la principal tarea consiste en limitar el flujo de potencia para mantener un claro eléctrico dentro de una distancia regulada cuando el conductor presenta temperaturas elevadas, entonces los mecanismos de monitoreo de temperatura sobre la línea o sistemas de medición de flecha y/o tensión mecánica pueden ser utilizados. Un monitor para la medición de flecha-tensión puede ser utilizado para calcular la temperatura de un mismo tramo [7].
Si la principal tarea consiste en limitar el flujo de potencia en la línea para evitar o limitar el recocido de los hilos de aluminio o cobre dentro del conductor, así como el daño causado a las conexiones debido a las temperaturas mayores a los 100º C, entonces se debe colocar un sensor de temperatura dentro del punto más caliente dentro del tramo del conductor [7].
La temperatura de un conductor y la máxima flecha que presenta son los principales elementos de evaluación para los sistemas de monitoreo según las técnicas de DLR o RTTR. Como ya se estableció, los rangos de funcionamiento de la línea dependerán de la máxima temperatura permisible por el conductor, así como la máxima flecha que este pueda presentar. Los sistemas de monitoreo
