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B2 24

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  1. 1. XIII ERIAC DÉCIMO TERCER ENCUENTRO REGIONAL IBEROAMERICANO DE CIGRÉ Puerto Iguazú Argentina 24 al 28 de mayo de 2009 XIII/PI-B2 -24 Comité de Estudio B2 - Líneas Aéreas REPOTENCIACIÓN DE LÍNEAS. CAMBIOS DE TENSIÓN DE 132 A 220KV. ANÁLISIS DE EMPLEO DE CONDUCTORES CONVENCIONALES Y CONDUCTORES DE ALTAS PRESTACIONES J. ORELLA * M. BARRIOCANAL España España Iberdrola Ingeniería y Construcción Iberdrola Ingeniería y Construcción Resumen – Empresas eléctricas, investigadores y fabricantes han mantenido la búsqueda de soluciones para maximizar el uso de los bienes/instalaciones existentes para aumentar su capacidad de transporte de potencia. A menudo se centran en los nuevos métodos o tecnologías que ofrecen soluciones para el sistema de planificación que, a su vez, permite aprender a modelar y evaluar estas soluciones en el marco de sus estudios de planificación y ejecución de procesos. Los medios posibles incluyen: • Soluciones basadas en Ampacidad: por medio de cambio de conductores o medios avanzados de operación • Cambio estructural de la línea: Aumento de tensión, Compactación, Upgrading, HSIL, etc. Los aumentos significativos y coincidentes en voltaje y amperios de una línea existente requieren el reemplazo de conductores y de estructuras. Esto es costoso y asciende generalmente al reemplazo completo de la línea existente con una nueva. Es decir, la única característica conservada de la línea existente es su derecho de paso. Además, muchas regiones están gobernadas por leyes que restringen o previenen ciertos tipos de cambio y por lo tanto también eliminan muchas opciones. Esto significa que, generalmente, los aumentos rentables de la capacidad se alcanzan en líneas existentes aumentando el voltaje o los amperios, pero no ambos. En el presente artículo se propone aportar la experiencia obtenida en Iberdrola Ingeniería y construcción en los proyectos de repotenciación de líneas que ha realizado a lo largo de los últimos años y las principales recomendaciones surgidas de esta experiencia, así como la problemática más común encontrada. Palabras clave: Conductor, altas prestaciones, repotenciación, Compactación, Líneas, Subestaciones, Transmisión, Alta Tensión (A.T.), instalación, 1 CONTEXTO El crecimiento de la demanda en España, junto con la oposición creciente al montaje de nuevas líneas aéreas, genera carencias en la garantía de suministro, empeorando la fiabilidad del sistema y limitando en algunos casos el suministro a nuevos clientes residenciales e industriales. Además, la dificultad sociomedioambiental de encontrar pasillos para la construcción de nuevas líneas de transporte se ha incrementado y en algunos casos se hace prácticamente imposible. Por ello, es necesario encontrar nuevas alternativas para aumentar la capacidad de transporte de las líneas ya existentes, lo cual representa una alternativa más económica y técnicamente más adecuada que la construcción de líneas subterráneas de alta tensión. En el presente artículo describe la experiencia obtenida en Iberdrola Ingeniería y construcción en los proyectos de repotenciación de líneas que ha realizado dentro de los últimos años y las principales recomendaciones surgidas de esta experiencia, así como la problemática más común encontrada * Ribera de Axpe5, 48950 Erandio, España. josa@iberdrola.es
  2. 2. 2 INCREMENTO DE POTENCIA La capacidad entregable del circuito de la transmisión se mide en unidades de MVA. Puesto que potencia es el producto voltios por amperios, la capacidad aumenta entre dos puntos terminales en una red de aumentando el voltaje o la intensidad, o ambos una línea. Los aumentos significativos y coincidentes en voltaje y intensidad de una línea existente requieren el reemplazo de conductores y de estructuras. Esto es un asunto costoso y asciende generalmente al reemplazo completo de la línea existente por una nueva. Es decir, la única característica conservada de la línea existente es su derecho de paso. Además, muchos territorios están regidos por leyes que restringen o previenen ciertos tipos de cambio y por lo tanto también eliminan muchas opciones. Esto significa que, generalmente, los aumentos rentables de la capacidad se alcanzan en líneas existentes aumentando el voltaje o la intensidad, pero no ambos. En cualquier caso, uno de los objetivos importantes que siempre deben buscarse en cualquier repotenciación es el incremento mínimo de las pérdidas de transporte, para lo cual se pueden emplear distinta posibilidades: • El incremento de la tensión de operación. Solución idónea desde el punto de vista de las pérdidas, dado que colabora en su reducción. No obstante, no siempre es posible dado que implica cambios en las subestaciones extremas con los consiguientes aumentos (importantes) de inversión a ejecutar. Implica principalmente la actuación sobre el aislamiento de la línea, con el objetivo de incrementar su nivel nominal manteniendo constantes en la medida de lo posible el resto de parámetros mecánicos y constructivos de la misma. • Incremento de subconductores por fase. De ejecución compleja por el consiguiente esfuerzo de ingeniería y desarrollo del refuerzo mecánico de las instalaciones. Tiene a ventaja de mantener o incluso reducir las pérdidas de operación en coste razonable de la inversión. • Sustitución de conductores por otros de altas prestaciones. El problema de esta técnica, que, no obstante, debe considerarse una solución adecuada, es que el incremento de temperatura de operación que permite aumentar la capacidad de transporte de la línea implica, consecuentemente, el incremento de las pérdidas del sistema. Sin embargo, y a pesar de que no existen contratistas entrenados en el montaje de este tipo de conductor, dada la relativa poca experiencia en Europa hasta el momento, el uso de esta tecnología permite alcanzar incrementos de capacidad del 70%, si bien con el incremento de las pérdidas asociadas. No obstante su rentabilidad está asegurada en casos de coste/oportunidad dadas las facilidades administrativas: su tramitación es más corta, la servidumbre está consolidada y puede ser abordada su ejecución como un trabajo de mantenimiento, lo que implica una importante reducción de plazos en la implantación del diseño. • Otra opción es la adición de un circuito, si bien solo es posible agregar un circuito a una línea existente sobre un derecho de paso existente si originalmente las líneas fueron diseñadas para tal contingencia. Para hacer frente al refuerzo de líneas aéreas existentes una solución es el paso a conductor dúplex, con el consiguiente reingeniería de la línea, cambio de apoyos y ejecución de obra civil en algunos casos. Una opción simple y atractiva para entregar más energía entre los terminales es la adición de un circuito. Es posible agregar un circuito a una línea existente sobre un derecho de paso existente, si las líneas fueron diseñadas para tal efecto. Los primeros constituyen el refuerzo de una línea en comparación con un circuito. El último constituye el refuerzo de un derecho de paso, en comparación con el refuerzo de una línea o el refuerzo de un circuito. Cada una de estas opciones puede producir aumentos de la capacidad muy significativos dependiendo de las condiciones existentes y a las políticas asociadas a la operación y mantenimiento de la misma. Otra solución es la actuación sobre el aislamiento de la línea con el objeto de incrementar su nivel nominal manteniendo constantes, en la medida de lo posible, el resto de parámetros mecánicos y civiles de la misma. Las ventajas que se obtienen con la repotenciación de una línea consisten en disponer una mayor aceptación social, al mismo tiempo que se aprovecha completamente el pasillo creado por la línea existente para la construcción de la nueva, sin necesidad de establecer nuevas servidumbres. 3 SOLUCIONES BASADAS EN TENSIÓN La operación de una línea en un nivel de tensión más elevado es una manera muy eficaz de aumentar la capacidad de la transporte. Además, las pérdidas se ven reducidas por este aumento. 2
  3. 3. Sin embargo, el aumento del voltaje requiere algunas condiciones: • Distancias de seguridad y al terreno • Distancias entre fases y fase a tierra • Requerimientos de aislamiento • Campo eléctrico sobre el conductor En este sentido, Iberdrola Ingeniería y Construcción ha finalizado el estudio y elaboración del proyecto constructivo para el upgrading o repotenciación a 220kV de la línea de transmisión eléctrica que enlaza las subestaciones de Jijona y la Montebello. Esta línea está actualmente funcionando a un nivel de tensión de 132 kV alimentando a la subestación de La Nucía. Con el cambio de tensión previsto en el proyecto, se aumentará en un 67 % la potencia nominal de la línea. La línea existente tiene una longitud de 32 km y discurre íntegramente por la provincia de Alicante. Anteriormente ya se había realizado un cambio de conductor en esta línea, pasando de simplex Hen a dúplex Hawk y aumentando su capacidad de transporte. Fig. 1 repotenciación línea Jijona - La Nucía a 220 kV Este proyecto se enmarca dentro de un paquete de repotenciaciones que nuestra empresa va a llevar a cabo y que permitirá ofrecer soluciones a las actuales demandas del sistema eléctrico. Este sector ha experimentado un continuo crecimiento, especialmente acelerado en los últimos años, y aunque se han construido nuevas centrales de generación, las líneas eléctricas se encuentran cerca de su límite de saturación. En el diseño de la línea se han considerado los siguientes aspectos: aislamiento, efecto corona, geometría de la línea y nuevos esfuerzos en los apoyos. Los principales problemas se dan en los apoyos de suspensión en los que ha sido necesaria la sustitución de las crucetas de celosía metálica actuales por crucetas aislantes giratorias, evitando así el balanceo debido al viento y aumentando la altura de los conductores sobre el terreno, compatibilizando la geometría existente al nuevo nivel de tensión. También es necesario reforzar las estructuras y cimentaciones en algunos casos, compatibilizando la geometría existente al nuevo nivel de tensión. Algunos de los trabajos se realizarán en proximidad y con la línea en servicio, como el refuerzo de la estructura y cimentaciones, y otros con paradas de corta duración, como la sustitución de las cabezas de las torres, el cambio de crucetas y la reposición de los conductores en la nueva estructura. 4 SOLUCIONES BASADAS EN CORRIENTE Las soluciones basadas en intensidad están disponibles en dos tipos básicos. En primer lugar están los métodos basados en operación, que emplean los procedimientos en los que se hace un uso más frecuente de la capacidad de emergencia variable de los conductores existentes teniendo en cuenta los requisitos del tiempo/meteorología o de la variabilidad carga. Sin embargo, la opción más utilizada generalmente, es la basada en la actuación sobre el conductor. En este caso, los aumentos de intensidad se alcanzan a través de los siguientes métodos: 1) Conservar el conductor 2) Sustitución del conductor 3
  4. 4. 4.1 Conservar el conductor Este procedimiento es atractivo para aumentos modestos de potencia y con poca disponibilidad de recursos o actuaciones. El reemplazo del conductor es costoso especialmente cuando no se conceden los descargos para realizar los trabajos. En este caso el procedimiento consiste en aumentar la temperatura de funcionamiento del conductor a u nuevo límite superior. Esto implica un aumento termal máximo de la catenaria y una disminución de la separación al suelo. También puede darse la situación en que la capacidad termal del conductor no esté completamente utilizada. Como técnicas para mantener las distancias del conductor al terreno pueden emplearse: • Retensado de conductores. Cambio de la tensión de uso y aprovechamiento de la fluencia con el tipo del conductor. La ganancia obtenida es pequeña. • Recrecido de apoyos. Técnica principal que consiste en introducir en la parte inferior de los apoyos tramos prismáticos que permiten la reutilización completa, tanto de la estructura pre-existente como de sus cimentaciones sin modificación. La reglamentación española vigente (en proceso de modificación) establece temperaturas de funcionamiento de 50ºC, si bien a lo largo del tiempo ha ido modificándose este límite en el diseño de nuevas líneas pasando por 65ºC, 75ºC hasta los actuales 85ºC de diseño de las nuevas líneas. Cualquier diseño de repotenciación de líneas tiene por objetivo el límite de 85ºC como situación alcanzable en nuevos diseños, si bien en técnicas como a la que nos estamos refiriendo no siempre es alcanzable sin cambios estructurales relevantes. Fig. 2 Recrecido de apoyo 220kV 4.2 Sustitución del conductor El cambio del conductor por otro convencional de mayor potencia es una opción atractiva si la línea se opera en su límite termal, las distancias al terreno están cerca del mínimo legal o los cambios de la estructura son extensos y costosos. No obstante, la línea debe contar con una reserva de esfuerzos mecánicos en sus estructuras para poder llevar un conductor más grande y más pesado. Sin embargo, algunos tipos de conductor estándar que ofrecen un rating termal más alto quedan limitados dramáticamente, puesto que requieren grandes cambios en la estructura que son muy costosos. Por lo tanto, la opción baja inversión dentro de esta categoría puede ser sustituir el conductor existente por un conductor de altas prestaciones y de baja flecha, que minimizan los requerimientos mecánicos. 4.2.1 Conductores convencionales Este método consiste en la sustitución o adición de un subconductor adicional. Generalmente, se realiza una modificación de circuito a dúplex sobre la línea existente. Esta opción consiste en realizar el cambio del conductor actual, por otro en forma de haz de conductores tipo dúplex (dos subconductores por fase) de forma que se duplica la potencia admisible en la línea. 4
  5. 5. Como ventajas de este tipo de conductores cabe destacar que las pérdidas son mucho menores que la existentes en el cable de alta capacidad, la mayor facilidad de tendido y mantenimiento de los mismos. Como desventajas cabe destacar la mayor inversión de instalación y la mayor complejidad de la obra debido al refuerzo de apoyos y cimentaciones, incluyendo la necesidad de obtener licencias de obra (debido a los trabajos de obra civil requeridos), nuevos permisos de propietarios (tanto por el incremento en la anchura de vuelo debido al duplex, como por acceso, daños de la obra civil), autorización de proyecto administrativo, etc. Así mismo, deben verificarse las distancias de seguridad del conductor sobre posibles construcciones que se hayan realizado bajo la línea para ver la necesidad de algún recrecido puntual de apoyos. En concreto, y para una línea de 132 kV con conductor Hawk, se tienen los siguientes datos de potencia e intensidad transmitida para ambos conductores y por circuito (condiciones 22ºC y velocidad de viento 1m/sg): Tabla I. Características de Potencia CONDUCTOR Temperatura Ampacidad Potencia Repotenciación Conductor (ºC) (A) (MVA) (%) 50 ºC 585 A 133,75 MVA 100,00 % Hawk 50 ºC 1.170 A 267,50 MVA 200,00 % Duplex - HAWK La experiencia de en este campo ha sido elevada, puesto que se han efectuado actuaciones en los ejes del mediterráneo de 132kV sobre las siguientes líneas: Tabla II. Líneas de 132kV modificadas Año Origen Longitud Conductor/ C.T. Nº Cruzamientos Jijona-Benidorm 1.964 30,20 km Hen / Ac-50 72 Alcira-Gandía 1.963 32,16 km Hen / Ac-50 100 Jijona-La Nucía 1.989 37,23 Km Hawk / Ac-50 75 La Nucía-Teulada 1.987 23, 50 km Hen / Ac-50 160 Teulada-Oliva 1.977 33,80 km Hen / Ac-50 137 L/132kV La situación de partida era que existía un gran aumento de la demanda eléctrica en los últimos años en la zona de la Costa Blanca, los retrasos en la tramitación y construcción de nuevas líneas eran considerables y era necesario tomar medidas urgentes para atender a la demanda. Por ello, el planteamiento de soluciones pasó por el estudio sobre posibles medidas a corto plazo para aumentar la capacidad de transporte en líneas existentes y el resultado fue el aumento de la capacidad de transporte mediante cambio de conductor a duplex Hawk. Fig. 3 Actuaciones sobre las líneas 132kV Existió la necesidad de caracterizar completamente el estado de partida de las líneas como base para el diseño de la solución, puesto que se trataba de líneas antiguas y no estaba disponible toda la información necesaria. Los medios utilizados para tal efecto fue la recopilación de información de partida (proyectos originales, perfiles topográficos, planos de detalle de apoyos, etc.), estudios topográficos y medidas sobre elementos constructivos existentes. 5
  6. 6. La secuencia seguida para obtener la solución estructural fue, inicialmente analizar el perfil y determinación de solicitaciones de cada apoyo, identificando los puntos conflictivos y determinando la tracción de tendido. Posteriormente se diseño el refuerzo de la estructura metálica, y de cimentaciones necesarios. Las soluciones adoptadas en el refuerzo de apoyos fueron tanto la instalación de dobles montantes omo el arriostramiento de encuadramientos inferiores y la sustitución de algunas diagonales. Fig. 4 Refuerzo de apoyos Por otro lado, las soluciones adoptadas en el refuerzo de cimentaciones fue diseñar dos tipos básicos, ambos pensados para que durante su ejecución las cimentaciones siguiesen trabajando Fig. 5 Refuerzo de cimentaciones: Losa única aligerada y Refuerzos independientes De esta forma se lograron los requisitos del cliente de mínimo incremento en las servidumbres, mínimo impacto ambiental y rapidez de ejecución. Adicionalmente, se aumentó considerablemente el ciclo de vida. Estos trabajos se realizaron con fuertes restricciones de ejecución y plazos muy reducidos, pero se logró modificar 123km de líneas en 110 días efectivos de trabajo de campo sin incidentes reseñables. Adicionalmente, se han realizado actuaciones semejantes sobre el eje del mediterráneo de 220kV en las siguientes líneas: • Fausita – Hoya Morena SC • San Vicente – Jijona • San Vicente – Saladas • Hoya Morena - San Pedro del Pinatar • Campoamor - Rojales En este caso, los trabajos consistieron en la sustitución del conductor simplex Condor a un dúplex Gull a los largo de 79km de línea. Por lo tanto, este tipo de soluciones constituye una buena alternativa para incrementar la capacidad ante la imposibilidad de construir nuevas líneas. 6
  7. 7. Fig. 6 Ejecución de trabajos sobre líneas del eje del mediterráneo 132kV y 220kV 4.2.2 Conductores de altas prestaciones Los conductores de alta capacidad y baja flecha aunque mantienen las dimensiones similares al conductor convencional ACSR, consiguen aumentar su capacidad de transporte a base de aumentar su temperatura, pero manteniendo en todo momento las distancias de seguridad, al presentar menores flechas en la mismas condiciones de temperatura, con la restricción de unas mayores pérdidas. Este tipo de conductores se vienen empleando desde hace tiempo en Estados Unidos y en Japón; en el año 2005 y 2006 se ha venido desarrollando una nueva variante (GTTACSR) de este tipo de conductor, así como los ya existentes GTACRS y ZTACIR, en España, a través de empresas nacionales. En el marco de un proyecto de I+D, se ha caracterizado mecánica, eléctrica y térmicamente el conductor GTTACSR, llevando a cabo ensayos de laboratorio y aplicando dichos resultados al caso de una línea de 30kV, propiedad de Iberdrola Distribución, que se encuentra operando en condiciones próximas a saturación y aumentando en un 60% la capacidad de transporte de la línea. Así mismo, ha servido para definir con precisión, la ingeniería, procedimientos de construcción y montaje, el comportamiento en explotación de los conductores y el equipamiento asociado: dispositivos y proceso de tendido, análisis de grapas, estudio de ruidos e interferencias, análisis de vibraciones, etc. El conductor está constituido por un tubo de aluminio extruido (tipo TAL) conteniendo en su interior un alma de ACS de alta resistencia (aluminium clad steel, es decir, ARL acero recubierto de aluminio), que posee libertad de desplazamiento dada su construcción holgada y se encuentra protegido con una grasa de propiedades adecuadas a su uso. Sobre el tubo de aluminio, se encuentra cableada una capa de alambres metálicos compuesta por alambres de aluminio (tipo TAL). Fig. 7 Conductor GTTACSR Inicialmente se realizaron una completa serie de simulaciones, ensayos y pruebas de campo de conductores de altas prestaciones térmicas y baja flecha, que han consistido en: • Ensayos de laboratorio de propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas de los conductores. Estos ensayos han permitido analizar la interrelación de los parámetros fundamentales, tales como resistencia eléctrica, flecha, temperatura, etc. • Pruebas de campo mediante la ejecución de un vano de prueba sobre el que instalar los conductores y definición de las pruebas de campo sobre un tendido real. Como parte de la caracterización del conductor, se realizaron pruebas de calentamiento sobre muestras de un Conductor ACSR Hen y su equivalente de baja flecha, el GTTACSR-269. La prueba comprendió en un vano de 44,4 metros con un EDS del 20%, así como los herrajes y aisladores necesarias, que fueron conectados en ambas extremos a un transformador de potencia. El proceso de calentamiento se realizó por medio de la 7
  8. 8. corriente que fluye en el conductor, con valores desde 200A a los 700A. Mientras tanto, fueron supervisados los parámetros fundamentales, como la temperatura ambiente, la fuerza y la flecha del conductor. El siguiente cuadro muestra las características de ambos conductores: Tabla III. Comparativa de características Sección ACSR HEN GTTACSR 269 Diámetro Densidad Tensión 297,6 mm2 312,8 mm2 22,4 mm 23,1 mm 1108 Kg/Km 1087 Kg/Km 10590 daN 10965 daN Resist. Elect. (20ºC DC) 0,1194 ohm/Km 0,1075 ohm/Km Los resultados de dicha prueba quedan reflejados en la siguiente gráfica: ACSR HEN - GTTACSR 269 ↑Flecha (mm) ←Temp.→ ---- GTTACSR Flecha ---- GTTACSR Tensión Tensión (kg)↑ ---- ACSR HEN Flecha ---- ACSR HEN Tensión Fig. 8 Comparativa de parámetros y conductores Posteriormente se realizó la actuación sobre una instalación real. Para ello, se llevo a cabo la sustitución del conductor de una línea doble circuito 30kV. Los trabajos se realizaron en tensión en uno de los circuitos, es decir, manteniendo el circuito anexo en servicio, incrementando la dificultad de los trabajos. Así mismo, el rango de vanos de esta línea es muy amplio: 25 – 550 m, que unido a la ubicación de la línea en un entorno demandante, caracterizaron todas las actuaciones necesarias para llevar a cabo los trabajos de construcción y montaje. La monitorización y el seguimiento exhaustivo de la variación de los parámetros fundamentales tales como flechas, ampacidad, temperaturas conductor, etc., en función de las diferentes condiciones ambientales y del estado de carga de la línea, ha permitido adquirir un nuevo conocimiento que podrá ser posteriormente aplicado por las empresas relacionadas con el transporte y distribución de energía eléctrica, empresas de montaje de instalaciones eléctricas y fabricantes de conductores, cadenas de aisladores y sistemas de amarre. El éxito del conductor ha sido muy claro y los ensayos y prueba real en campo han demostrado su rendimiento y rentabilidad económica, sin embargo hay que seguir trabajando ya que existen dobles circuitos en AT y MT diseñados así por garantía de suministro, de tal forma que cada línea soporta la carga del conjunto. 8

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