Transmicion Con Cc 4s3n17

Título: Instalaciones de alta tensión en Corriente Continua Paolo SARMIENTO

Unidad Académica de Ingeniería de Sistemas, Eléctrica y Electrónica, Universidad Católica de Cuenca Cuenca, Ecuador [email protected]

Abstract: Today there are new technologies for power transmission, one of which is the HVDC, so make an

analysis of how feasible is this technology doing calculations and comparing AC transmission also analyze the most important characteristics HVDC to have a general knowledge of sete new system. Resumen: En la actualidad surgen nuevas tecnologías para la transmisión de energía eléctrica, una de ellas es la HVDC, por lo cual realizaremos un análisis de cuan factible es esta tecnología realizando cálculos y comparándolos con la transmisión en AC, también analizaremos las características más importantes de la HVDC para tener un conocimiento general de sete nuevo sistema. Palabras clave: HVDC, líneas, rectificador, conversión, alterna, continua, MW, reactivo

I.

Introducción:

La transmisión de electricidad en corriente alterna CA ha arraigado como principal tecnología para las redes eléctricas. Su ventaja radica en la posibilidad de utilizar transformadores para elevar la energía a niveles más altos de tensión, facilitando así una transmisión económica. La transmisión de corriente continua se basa en convertir la corriente alterna en continua en una estación rectificadora, transmitir la energía en una línea de CC y convertirla de nuevo en corriente alterna en una estación inversora. Desde el punto de vista del sistema, la tecnología de corriente continua simplifica la transmisión a largas distancias. Las estaciones rectificadora e inversora pueden controlar rápidamente la corriente y la tensión y, por tanto, son adecuadas para controlar el flujo de potencia. En realidad, las redes conectadas pueden ser incluso asíncronas, ya que la corriente continua no tiene ángulos de fase y no depende de la frecuencia.

II. A.

Procedimiento:

capaces de procesar, alrededor de 30MW, y el elevado costo que tenían. Por eso se empezó a utilizar esta tecnología en aquellos lugares en los que presentaba ventajas que no se podían conseguir con otras tecnologías como la transmisión de potencia a largas distancias o la interconexión de sistemas eléctricos vecinos que funcionan a distas frecuencias. Esta tecnología se conoce como HVDC (HighVoltage Direct current), en Castellano, Alta Tensión en Corriente continua. Su evolución ha permitido aumentar las potencias a tratar, a día de hoy, hay operativas líneas de transmisión con potencias alrededor de 3000MW y 800kV en China e India. Las principales ventajas de los sistemas HVDC incluyen:     

Marco Teórico:

1) Sistemas HVDC: En la segunda mitad del siglo XX la investigación con semiconductores permitió el desarrollo de la electrónica de potencia y con ello la posibilidad de convertir la corriente alterna en continua y viceversa con dispositivos sin partes móviles y altos rendimientos. El principal problema que tenían los primeros dispositivos era las bajas potencias que eran

Mínimas perdidas en líneas de transporte. Posibilidad del control total de potencia activa. Corredor de paso menor en líneas en corriente continua comparado con la misma potencia en corriente alterna. Menor magnitud del efecto corona. Eliminación de las pérdidas por capacidad entre conductores.

Las principales desventajas son:    

Alto costo de los equipos de conversión. Imposibilidad del uso de transformadores para variar la tensión. Generación de armónicos en el lado de corriente alterna. Obligación de tener un generador de reactiva.



Requerimiento de controles complejos.

2) Configuración de un centro de transformación: Los convertidores que permiten el paso CA/CC son conocido como rectificadores, los que permiten el paso CC/CA son conocidos como inversores. Las instalaciones donde se encuentran estos dispositivos se denominan centros de conversión. A parte, de los convertidores encontramos otros elementos necesarios para un correcto funcionamiento como los filtros o el transformador de conversión. Los convertidores no pueden ser conectados directamente entre las dos redes ya que su uso genera una gran cantidad de armónicos. Por esta razón se tienen que instalar filtros en las redes de AC y DC. También se requiere de un transformador para adecuar la tensión de red a los niveles requeridos para el buen funcionamiento del convertidor.

Fig.2 Esquema de las distintas topologías de conexión

4) Cálculos de caída de tensión en AC: La expresión que se utiliza para el cálculo de la caída de tensión que se produce en una línea se obtiene considerando el circuito equivalente de una línea corta.

Fig.1 Esquema simplificado de una estación de conversión

3) Tipos de conexiones en HVDC: De forma análoga a los sistemas trifásicos de corriente alterna, en corriente continuase pueden distinguir diferentes tipos de conexiones entre dispositivos de una red.

Fig.3 Circuito equivalente de una línea corta

 Monopolar: La configuración monopolar consiste en la utilización de un único conductor para transmitir potencia entre una estación de conversión y otra, realizando el retorno mediante los electrodos de las subestaciones conectados a tierra. Este tipo de conexión supone un ahorro en el cable conductor pero se tiene que tener presente que no siempre es recomendable su uso, especialmente cuando las pérdidas por la tierra son muy grandes o no se puede instalar por razones medioambientales. En estos casos se puede instalar un retorno metálico.

Fig.4 Diagrama vectorial

La reactancia, X, de los conductores varía con el diámetro y la separación entre conductores. En el caso de redes de distribución aéreas trenzadas es sensiblemente constante al estar los conductores reunidos en haz, siendo del orden de X= 0,1 Ω/km, valor que se puede utilizar para los cálculos sin error apreciable. En el caso de redes de distribución subterráneas, aunque se suelen obtener valores del mismo orden, es posible su cálculo en función de la separación entre conductores.

 Bipolar: La conexión bipolar consiste en el uso de dos conductores, uno trabajando con polaridad positiva y otro con polaridad negativa transmitiendo la misma potencia simultáneamente. El uso de esta conexión permite que en condiciones normales de operación la corriente de retorno sea cero, ya que al aplicar la primera ley de Kirchhoff las intensidades, provenientes de la línea con polaridad positiva y de la línea con polaridad negativa se anulan. En el caso en que una línea entre en fallada o tenga programadas operaciones de mantenimiento, la otra se puede operar como una línea monopolar con retorno por la tierra.

B.

Desarrollo:

Cálculos en CC: Realizar los cálculos necesarios para comparar las distintas topologías de conexión de un sistema en CC.

2

Datos monopolo:

r=

U = 500 Kv rt = 2 Ω l = 500 Km P = 1000 MW Resistividad ⍴ = 30 Ω m𝑚2 /Km Densidad de corriente = 1A/m𝑚2

r=

⍴

[18]

𝑠 30 1000

= 0,03 ΩKm

∆U = 2*0.03*500*1000 ∆U = 30000 V Perdida = (2*0.015*500)*10002

1) Cálculos de un sistema monopolo:

Perdida Relativa=

[2] [3]

I=

𝑃 𝑈 1000 500

[5]

∆U Relativa =

0,03∗500∗1000

[6]

∆U = [(0.015*500)+(2*2)]*2000

[8]

∆U = 23000 V Perdida = [(0.015*500)+(2*2)]*20002 [9] Perdida = 46 MW 46 1000

23000 500

[22]

∗ (100)

500

∗ (100)

Cálculos en AC:

[10]

Datos trifásico 1: U = 500 Kv l = 500 Km P = 1000 MW Resistividad ⍴ = 30 Ω m𝑚2 /Km Densidad de corriente = 1A/m𝑚2 Frecuencia = 50 Hz C = 0,01 microF/km 1) Cálculos trifásico 1: I=

Perdida Relativa = 4,6 % ∆U Relativa =

∗ (100)

U

Realizar los cálculos necesarios para comparar un sistema trifásico variando la potencia.

= 0,015 ΩKm

Perdida Relativa=

Perdida Relativa = 3 % r∗l∗I

[7]

𝑠 30

[21]

∆U Relativa = 3 %

⍴

2000

∗ (100)

∆U Relativa =

s = 2000*1 = 2000 m𝑚2

r=

30 1000

[4]

= 2000 𝐴

s = I * Densidad de corriente

r=

[20]

Perdida = 30 MW [1]

I=

[19]

∗ (100)

[11]

I=

𝑃

[23]

√3∗𝑈 1000 √3∗500

= 1154,7 𝐴

s = I * Densidad de corriente

∆U Relativa = 4,6 % Datos bipolo:

s = 1154,7*1 = 1154,7 m𝑚

U = 500 Kv l = 500 Km P = 1000 MW Resistividad ⍴ = 30 Ω m𝑚2 /Km Densidad de corriente = 1A/m𝑚2

r= r=

[24]

2

⍴

[25]

𝑠 30 1154,7

= 0,0259 ΩKm

R = r*l

[26]

R= 0,0259*500 = 12,99 Ω

2) Cálculos de un sistema bipolo: [12] [13] [14] [15]

Perdida = 3*R*𝐼 2

[27]

Perdida = 3*12,99*1154,7

2

Perdidas = 51,95 MW Perdida Relativa=

51,95 1000

∗ (100)

[28]

Perdida Relativa = 5,19 % I= I=

𝑃

[16]

𝑈∗2 1000 500∗2

= 1000 𝐴

Xreactancia =

s = I * Densidad de corriente s = 1000*1 = 1000 m𝑚

Xreactancia =

2

[17]

1

[29]

2∗π∗f∗C 1 2∗π∗50∗0,01

X = Xreactancia*l X = 0,3 * 500 = 150 Ω

= 0,3 Ω /km [30]

Ql = 3*X*𝐼 2

wC = (2*π*f)*C

[31]

[44]

Ql = 3* 150 *1154,7 2

wC = (2*π*50)*0,01

Ql = 599,99 MWAr

wC = 3,1415*10 −6

wC = (2*π*f)*C

Qc = wC*𝑈 2

[32]

[45]

wC = (2*π*50)*0,01

Qc = 3,1415*10 −6 * 5002

wC = 3,1415*10 −6

Qc = 392,68 MWAr

Qc = wC*𝑈 2

[33]

Qc = 3,1415*10

−6

* 500

Tensión pico = (U/√3) ∗ √2

2

Tensión pico = (500/√3) ∗ √2

Qc = 392,68 MWAr

Tensión pico = 408,24 Kv

Tensión pico = (U/√3) ∗ √2

[34]

Tablas para el análisis: TABLA I

Tensión pico = (500/√3) ∗ √2

ANALISI MONOPOLO Y BIPOLO

Tensión pico = 408,24 Kv

MONOPOLO

BIPOLO

CORRIENTE

2000 A

1000 A

RESISTENSIA

0,015 Ω

0,03 Ω

DU

23000 V

30000 V

PERDIDAS

46 MW

30 MW

PERDIDAS RELATIVAS

4,60%

3%

DU/U

4,60%

3%

Datos trifásico 2: U = 500 Kv l = 500 Km P = 100 MW Resistividad ⍴ = 30 Ω m𝑚2 /Km Densidad de corriente = 1A/m𝑚2 Frecuencia = 50 Hz C = 0,01 microF/km 2) Cálculos trifásico 2: I= I=

𝑃 100

Como observamos en la tabla en el sistema bipolo las perdidas disminuyen en un 1,6 % con referencia al monopolo, también hay una disminución en la resistencia y corriente y un aumento en la tensión por lo cual podemos decir que podemos transportar más voltaje y con menores perdidas.

[35]

√3∗𝑈 √3∗500

[46]

= 115,4 𝐴

s = I * Densidad de corriente

[36]

s = 1154,7*1 = 1154,7 m𝑚2 r= r=

TABLA II

⍴

[37]

𝑠 30 1154,7

ANALISI MONOPOLO Y TRIFACICO 1

= 0,0259 ΩKm

R = r*l

[38]

R= 0,0259*500 = 12,99 Ω Perdida = 3*R*𝐼 2

[39]

Perdida = 3*12,99*115,42 Perdidas = 0,5189 MW Perdida Relativa=

0,5189 100

∗ (100)

[40]

Perdida Relativa = 0,518 % Xreactancia = Xreactancia =

1

[41]

2∗π∗f∗C 1 2∗π∗50∗0,01

X = Xreactancia*l

= 0,3 Ω /km

X = 0,3 * 500 = 150 Ω

Ql = 3* 150 *115,4

TRIFACICO 1

2000 A

1154,7 A

RESISTENSIA

0,015 Ω

0.0259 Ω

DU

23000 V

PERDIDAS PERDIDAS RELATIVAS

46 MW

51,95 MW

4,60%

5.19%

DU/U

4,60%

Ql

599,99 MWAr

Qc

392,68 MWAr

TENSION PICO

408,24 Kv

Lo primero que podemos decir del análisis de estos dos sistemas es que en el trifásico nos aparece una potencia reactiva que no tenemos en el sistema monopolo, también que la resistencias es mayor en trifásico y así mismo tenemos que las pérdidas son mayores, ya que en el monopolo no tenemos una frecuencia y por lo tanto no tenemos una reactancia, entonces por ende las pérdidas son menores en el monopolo.

[42]

Ql = 3*X*𝐼 2

MONOPOLO CORRIENTE

[43] 2

Ql = 5,99 MWAr 4

TABLA III



ENERGIAS, M. D. (s.f.). CÁLCULO DE LAS CAÍDAS DE TENSIÓN. GUÍA TÉCNICA DE APLICACIÓN - ANEXOS , 14.



GROUP, E. T. (2008). TECNICA DE LA ALTA TENSION. Recuperado el 13 de octubre de 2013, de inducor: http://www.inducor.com.ar/academicos.html

ANALISI BIPOLO Y TRIFACICO 1 BIPOLO

TRIFACICO 1

CORRIENTE

1000 A

1154,7 A

RESISTENSIA

0,03 Ω

0.0259 Ω

DU

30000 V

PERDIDAS PERDIDAS RELATIVAS

30 MW

51,95 MW

3,00%

5.19%

DU/U

3,00%

Ql

599,99 MWAr

Qc

392,68 MWAr

TENSION PICO

408,24 Kv

Al igual que en el análisis anterior observamos que las pérdidas son menores con la diferencia que obtuvimos una resistencia mayor en el bipolo que en el trifásico. TABLA IV

ANALISI TRIFACICO 1 Y TRIFACICO 2 TRIFACICO 1

TRIFACICO 2

CORRIENTE

1154,7 A

115,4 A

RESISTENSIA

0.0259 Ω

0.0259 Ω

PERDIDAS PERDIDAS RELATIVAS

51,95 MW

0,5189 MW

5.19%

0,518%

Ql

599,99 MWAr

5,99 MWAr

Qc

392,68 MWAr

392,68 MWAr

TENSION PICO

408,24 Kv

408,24 Kv

Aquí observamos que al disminuir la potencia en algunos rangos de nuestros cálculos disminuyen bruscamente pero otros se mantienen ya que el parámetro de la potencia no los afecta.

III.

Conclusiones:

Para elegir el sistema ya sea en CC o CA en las líneas de trasmisión debemos tener en cuanta algunos parámetros como son la cantidad de energía que queremos transportar y la infraestructura que vallamos a implementar así como las distancias, tensiones, corrientes, etc. Al hablar de transmisión debemos tener en cuenta que estamos tratando con alta tensión y por ello debemos conocer bien qué tipo de sistema utilizaremos este sea CC o CA.

IV.  

Referencias Bibliográficas:

Agustí Egea, O. G. (2008). Introducción a los sistemas de Alta Tensión en Corriente Continua (HVDC) . Leonardo ENERGY, 12. Asplunt, G. (2007). Transmisión de ultra alta tension. ABB, 27.