Métodos de ubicación del cable de guardia - 2009

U Universida d Nacionaal de La Plata  Faculttad de Inggeniería

   Métod dos de U Ubicaciión dell cable de Gua ardia pa ara  una Líínea dee 500 kkV 

    Alta y Med dia tensión n frente a Descargass Atmosfé éricas  Protección de Lííneas de A   nuel                                      Año o: 2009 Alumno: Rojido Juan Man

 

Índice

Índice .......................................................................................................................................................... 1  Resumen .................................................................................................................................................... 2  Introducción ................................................................................................................................................ 2  Características de la línea en estudio ........................................................................................................ 2  Métodos de ubicación del cable de guardia ............................................................................................... 4  Métodos clásicos .................................................................................................................................... 4  Charles ................................................................................................................................................ 4  Wagner y Mac Cann............................................................................................................................ 6  Schwaiger ............................................................................................................................................ 8  Langrehr ............................................................................................................................................ 10  Modelo Electro-geométrico Simplificado .............................................................................................. 12  Marco Teórico ................................................................................................................................... 12  Aplicación del modelo a la línea de 500 kV ...................................................................................... 13  Conclusiones Generales .......................................................................................................................... 19  Referencias .............................................................................................................................................. 20  Anexo 1 .................................................................................................................................................... 21 

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Resumen En este trabajo se estudia la ubicación del cable de guardia de una línea de alta tensión de 500 kV. Para esto se aplican diferentes criterios y se obtienen conclusiones sobre los resultados obtenidos con cada uno de ellos, en base a la configuración de la línea en consideración.

Introducción Las necesidades energéticas del mundo actual hacen que se requiera un suministro de energía confiable. Las fallas o salidas de servicio de equipos eléctricos y líneas de transmisión debidas a las descargas atmosféricas pueden ser muy importantes si no se toman los cuidados debidos. El impacto de una descarga atmosférica en una línea de transmisión o en sus cercanías, puede dar lugar a una elevación de la tensión sobre alguno de sus elementos (cables de guardia y estructura de soporte, conductores de fase). La sobre-elevación de tensión es indeseable ya que puede originar una falla en la línea o en los equipos conectados a esta en sus extremos. Dependiendo de donde impacte la descarga las fallas se pueden originar por: •

• •

Fallas de Blindaje: se producen cuando una descarga impacta sobre un conductor de fase provocando una sobretensión migratoria que, en caso de superar el nivel de aislación de la línea, provoca el contorneo de la aislación y la subsecuente falla a tierra. De no superar dicho nivel la sobretensión viaja por la línea hasta sus extremos. Inducción: se producen cuando una descarga impacta en las cercanías de la línea provocando una sobretensión inducida. Contorneo Inverso: se puede producir si al impactar una descarga sobre el cable de guardia o la torre, la tensión resultante entre supera el nivel de aislación, provocando el cebado del arco desde la torre hacia los conductores de fase.

En este trabajo solamente se presta atención a las primeras, más concretamente a la forma de evitarlas, que es la correcta ubicación de los cables de guardia. Para esto se analizan diferentes métodos de ubicación de los cables de guardia y se obtienen conclusiones.

Características de la línea en estudio En este trabajo se estudia el desempeño de frente a descargas atmosféricas de una línea de 500 kV, de disposición coplanar horizontal, soportada por una torre reticulada de acero, con un vano de 465 m. Los conductores se consideran del tipo Al-Ac 300/50 mm2 de 24.5 mm de diámetro y están dispuestos en forma de haz de 4 sub-conductores cuadrado de 50 cm entre centros. La protección frente a descargas atmosféricas se realiza mediante doble cable de guardia. La forma y dimensiones principales de la torre de suspensión se pueden ver en la Figura 1.

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Figura 1: Torre de la línea de 500 kV, dimensiones principales en [m].

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Métodos de ubicación del cable de guardia Existen diferentes métodos para ubicar los cables de guardia y cada uno de ellos proporciona una zona de protección contra descargas directas diferente. Los métodos clásicos se basan principalmente en criterios geométricos sin mayores fundamentos teóricos que los resultados obtenidos de su aplicación. Los métodos clásicos que se utilizan en este trabajo son: • • • •

Charles Wagner y Mac Cann Schwaiger Langrehr

También existen métodos modernos que se basan en modelos teóricos del fenómeno de descargas atmosféricas. En este trabajo se utiliza en particular un método basado en el denominado Modelo Electro-geométrico. A continuación se analiza la protección brindada por los cables de guardia de la línea de 500 kV según los diferentes métodos. En algunos casos se indica también la ubicación que deberían tener los cables de guardia para brindar una protección óptima según cada criterio.

Métodos clásicos Charles Este criterio establece un ángulo de apantallamiento α= 45º con la vertical, de modo tal que la descarga atmosférica no caerá sobre ningún objeto que se encuentre dentro del cono delimitado por dicho ángulo. Este criterio es poco severo y permite ubicar el cable de guardia a menor altura. El apantallamiento que brindan los cables de guardia de la línea según este criterio se puede ver en la Figura 2, se observa que las fases exteriores tienen un apantallamiento excesivo mientras que la fase central no resulta protegida.

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Fig gura 2: Zona de d protección n contra desc cargas directtas según Charles.

dia según esste criterio se e logran doss alternativass, simple o doble d cable Reubicando los cablles de guard dia. La ubicación resultan nte se puede e ver en la fig gura 3. de guard

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Figura 3:: Ubicación del d cable de guardia g según n Charles, pa ara simple y d doble cable.

esante desta acar que según este méto odo, se evita a colocar una a estructura a adicional parra soportar Es intere los cable es de guardia a. Esto reafirrma la afirma ación de que e el criterio ess muy poco ssevero.

Wagnerr y Mac Ca ann De form ma similar al criterio ante erior, en este e caso los autores a conssideran que los cables de d guardia protegen n un ángulo α= 30º con n la vertical, esto resulta a en una ubicación máss elevada de el cable de guardia. q brindan los cables de e guardia de e la línea seg gún este crite erio se puede ver en la El apanttallamiento que Figura 4, se observa a que solame ente las fasess laterales re esultan prote egidas.

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Figura 4: Zona de prottección contrra descargas s directas seg gún Wagner y Mac Cann.

den reubicar los cables de e guardia se egún este critterio de form ma tal que ressulten proteg gidos todos Se pued los cond ductores de potencia. p La ubicación resultante se puede p ver en n la Figura 5..

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Figura 5: Reubicación del cable de guardia según Wagner y Mac Cann. Se indica con línea punteada la ubicación original del cable de guardia.

Schwaiger Este método considera que cuando el trazador de una descarga atmosférica se aproxima a la tierra, este alcanza una altura H (medida desde el suelo) en la cual elige para caer el punto conectado a tierra más cercano. Teniendo en cuenta la afirmación anterior se puede determinar una altura h a la cual instalar un elemento captador, de forma tal de proporcionar una zona de protección. El autor del método toma la relación H/h = 1 siendo H el punto donde se encuentra la punta del rayo, y h la altura del cable de guardia. La zona de protección resultante queda determinada por un cuarto de circunferencia de radio h, como se puede ver en la Figura 6, de modo tal que resultará protegido lo que se encuentre por debajo de esta.

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Figura 6: Criterio de e Schwaiger, construcción teórica.

e criterio lo os cables de e guardia de la línea de 500 kV, prottegen una zo ona delimitad da por una Según este circunferrencia con un u radio de 34,65 [m] y como se puede p ver en n la Figura 7, los conductores de potencia a no resultan protegidos.

Figura 7: 7 Zona de pro otección contra descargas s directas se egún Schwaig ger, (se mues stra solo para a un cable).

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Se puede determinar la altura a la que deberían instalarse los cables de guardia, según este criterio, para lograr que los conductores de potencia resulten protegidos. Para esto se calcula la altura mediante la siguiente ecuación:

Donde: yc= Altura del conductor de fase ; h = Altura del cable de guardia ; xc = distancia media entre conductores de fase. El resultado indica que el cable de guardia se debe instalar a 49,2 [m] de altura, esto resulta impracticable desde un punto de vista técnico económico.

Langrehr Este criterio hace exactamente las mismas consideraciones teóricas que el anterior (Schwaiger), pero toma la relación H/h=2, siendo H el punto donde se encuentra la punta del rayo, y h la altura del cable de guardia. De esta manera la zona de protección resulta delimitada por un cuarto de circunferencia de radio 2h. Aplicando este criterio a la línea de 500 kV, la zona de protección resulta delimitada por una circunferencia de 69,3 [m] y como se puede ver en la Figura 8, solamente resultan protegidas las fases exteriores. Un resultado curioso se obtiene al determinar la altura a la que deberían instalarse los cables de guardia según este criterio para lograr que los conductores de potencia resulten protegidos. Para esto se utiliza la siguiente ecuación:

2.

√3.

2.

Donde: yc= Altura del conductor ; h = Altura del cable de guardia ; xc = distancia media entre conductores de fase. El resultado indica que el cable de guardia se debe instalar a 34,55 [m] de altura, esto es 10 cm por debajo de su ubicación real (34,65 m). De modo tal que para proteger a la línea según este criterio solamente se deberían desplazar los cables de guardia 3,6 [m] hacia el centro de la torre. Esto está indicado en la Figura 9. Otro aspecto interesante a destacar, es la similitud de este criterio con el de Wagner y Mac Cann (30º), ya que ambos proporcionan una zona de protección muy parecida.

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Figura 8 8: Zona de prrotección con ntra descarga as directas se egún Langreh hr, (se muesttra solo para un cable).

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Figura 9: Reubicación del cable de guardia según Langrehr, se muestra el desplazamiento realizado y una nueva estructura de soporte.

Modelo Electro-geométrico Simplificado Marco Teórico Como es sabido, el movimiento descendente de el trazador de una descarga atmosférica, se asume continua inalterado a menos que se desarrollen condiciones de campo críticas que permitan la unión con un objeto vecino conectado a tierra. Este proceso de unión se denomina salto final. El modelo Electro Geométrico simplificado considera: solamente el canal del trazador descendente y que además es perpendicular al plano del suelo; que la descarga impactará en el elemento captor si su punto de neutralización futuro se encuentra dentro de un radio de atracción. El radio de atracción depende de diversos factores como ser: la carga del trazador, el tipo de estructura (conductor horizontal), la altura de la estructura, la geografía del terreno (llano o montañoso) y el campo eléctrico del suelo debido a la presencia de las nubes cargadas. Para determinar la magnitud del radio de atracción el modelo electro-geométrico utiliza las distancias de salto de la estructura y del terreno, rc y rg respectivamente. Una construcción sencilla de este método se muestra en la Figura 10 para una estructura de altura h, donde el radio de atracción se indica como d1.

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Figura 10: Construcción basada en el Modelo Electro-Geométrico. Ref [1]

Las expresiones propuestas por el modelo electro-geométrico para evaluar las distancias de salto y el radio de atracción, son proporcionales a la corriente pico de la descarga y se indican a continuación. .

(1)

.

(2) (3) (4)

Donde: h = altura del cable de guardia; I = corriente de descarga en kA; Arc , Arg y b son parámetros experimentales (ver tabla 1). Los parámetros experimentales utilizados para evaluar las distancias de salto se adoptan de la referencia [1] y se presentan en la Tabla 1.

Tabla 1: Parámetros experimentales de las formulas 1 y 2.

A

Parámetro

b

rc

rg

Armstrong and Whitehead [Cigré WG 33-01, 1991]

6.7

6

0.8

IEEE T&D Committee 1992 [IEEE Std. 1243, 1997]

10

3.6 +1.7ln(43− h) para y