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LINEAS DE TRANSMISIN DE ALTA TENSIN

Transmisin

Despus de que la electricidad es creada en las plantas generadoras el siguiente paso es trasmitirla

y as pueda llegar a todos los centros de consumo, casas, fbricas, escuelas, hospitales, entre

otros. Para lo anterior se necesita la Red Elctrica a lo largo y ancho de todo Mxico. Esta red est

formada por Torres, Lneas de Transmisin y Subestaciones, apoyados por equipos de Proteccin,

Comunicaciones y Control. Las lneas de transmisin son los caminos que usan los electrones que

forman la electricidad y estn constituidas por acero y aluminio. Las torres que sostienen las lneas

de transmisin, por medio de unos botones de porcelana o silicn que evitan que la electricidad

brinque a las torres, estn construidas de acero puro para aguantar la temperatura ambiente as

como las diferentes condiciones meteorolgicas que se presentan.

En las Subestaciones de Transformacin, es donde la electricidad que est formada por electrones

se aumenta o se reduce, dependiendo de la necesidad. Si aumenta se define como alta tensin la

cual pueden viajar largas distancias sin existir perdidas. A la inversa si se reduce se define como

baja tensin y se utiliza para entregar a los centros de consumo.

En la parte ms alta de las torres se ubica un cable que se llama hilo de guarda el cual a su vez

tiene en su interior varias fibras de vidrio llamadas en su conjunto fibra ptica y a travs de ellas

viajan seales luminosas que se transforman en voz, datos e imgenes. Este hilo de guarda

protege a las lneas de Transmisin de descargas atmosfricas.

Si tenemos una falla o algo est mal en alguna parte de toda nuestra red elctrica contamos con el

apoyo de equipos electrnicos que nos informan si algo est bien o est mal y as entregar la

energa elctrica con calidad.

Porque transmitir en sistema trifsico: En el capitulo anterior se dijo que la potencia elctrica del

generador sale por tres devanados o fases cada uno de ellos con un voltaje de la misma

magnitud, pero separados 120 grados de los otros dos. La razn de esto es que el generador recibe

un torque constante en la entrada y causara desbalance entregar un torque pulsante como lo

hara un generador monofsico, lo cual es obvio que se prefiere, tal como tambin se hace cuando

se reparte el torque producido por los pistones de un motor de combustin interna.

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Adicionalmente se obtiene economa de transmisin con la potencia trifsica ya que si fuera

monofsica seran cables muy robustos y si fuera polifsico se tendran que usar 4 o mas cables,

as que el sistema trifsico es un punto medio, adems se obtiene la economa de no necesitar

conductor de retorno ya que el circuito se cierra en todo momento con las otras dos fases

Cuando una es positiva siempre hay una o dos negativas as que se tiene asegurado el retorno, por

las mismas fases.

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Caractersticas de las lneas de transmisin

Los conductores empleados son de aluminio material liviano y relativamente econmico, estn

formados por varios hilos delgados trenzados entre si alrededor de un conductor de acero en el

centro para darle resistencia a la tensin mecnica y obtener flexibilidad para enrollarlo en

carretes para su transporte.

Para los cables subterrneos que son aislados con PVC se utiliza el cobre ya que no requieren ser

livianos y se busca disminuir su resistencia elctrica, sus perdidas RI2, ya que la temperatura en el

cobre limita la cantidad de amperes que el cable puede conducir.

Por esta razn se busca disminuir la resistencia de los conductores de las lneas, la cual es

directamente proporcional a la longitud del conductor e inversamente proporcional al rea de la

seccin.

Donde esta en m y A esta en m2 .

Se ha encontrado que la corriente

que circula por el neutro igual a la

suma de las tres corrientes es igual

a cero por ser balanceadas de la

misma magnitud y distribuidas 120

grados en el tiempo.

Por esta razn el cuarto conductor

no se instala en las lneas, sino que

se utiliza la tierra fsica como

retorno, aterrizando los neutros de

los generadores, transformadores y

cargas trifsicas (en estrella), para

que por la tierra se traslade la

pequea corriente residual

ocasionada por pequeos

desbalances.

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Fuente: Thomas Allen Short- Electric Power Distribution Equipment and Systems

Calibres mas comnmente empleados:

Para lneas de subtransmisin 115 kv: 795

Para lneas de transmisin 230 kv: 954 y 1033

Para troncales de lneas de distribucin 13.8 kv: 266, 336, 477 y los calibres menores para

pequeos tramos de consumidores.

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La constante de proporcionalidad es la letra griega Rho, sus unidades son Ohm-metro. Los

buenos conductores andan en valores del orden de 10-8 .Materiales con resistividades mayores a

1010 son aisladores. Materiales con resistividades del orden de 10-4 a 10-7 son llamados

semiconductores con lo que se hacen los transistores.

Por lo anterior, los conductores se busca que sean de dimetros grandes pero limitados por su

costo y su peso que debe ser soportado por la torres.

Se debe mencionar que aunque es importante tener una baja resistencia en los cables, para

disminuir las prdidas, esto no tiene influencia en el lmite de transmisin de potencia activa y la

estabilidad ya que estas estn limitadas por la impedancia total dela lnea, donde cobra mayor

influencia la reactancia inductiva al punto de que en muchas situaciones de calculo, se desprecia la

resistencia de la lnea y solo se toma en cuenta su reactancia (lnea sin perdidas)

Z = R +jX jX

Ntese que las lneas aunque no son bobinas tienen inductancia debido a que el flujo magntico

que su corriente produce tiene influencia en el conductor mismo, una forma de verlo es que la

lnea forma una bobina de una sola vuelta pero decenas de kilmetros de larga.

Las lneas tambin tienen capacitancia ya que pueden ser visualizadas como dos electrodos de

cierta rea y separados por aire; resultando en un valor de capacitancia pequeo para las lneas

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areas pero no as para los cables subterrneos que estn mas cerca uno de otro y se construyen

coaxiales con una malla aterrizada.

Sin entrar demasiado en detalles podemos apreciar que una lnea puede ser representada en

trminos de una resistencia R una reactancia inductiva XL y una reactancia capacitiva XC todas

dadas en valores de Ohms por kilometro, las cuales se incrementaran con la longitud de la lnea.

A bajas cargas tiene ms efecto la capacitancia y a cargas elevadas domina el efecto inductivo. La

potencia natural de una lnea es cuando la lnea no produce ni consume reactivos.

Q reactiva = Q capacitiva

;

;

llamada la impedancia caracterstica

La potencia surge o potencia natural esta dada por

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Ntese que la reactancia inductiva es pequea comparada con la reactancia capacitiva ya que una

va en serie y la otra en paralelo.

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En lneas de alta tensin se acostumbra usar conductores agrupados 2, 3 o 4 conductores por cada

fase separados unos cuantos centmetros, se mantienen juntos usando un herraje especial o

marco plantilla etc hay varias razones para hacer esto: Incrementar la disipacin de calor, reducir

el efecto y las perdidas corona y reducir la inductancia.

La disipacin se aumenta al aumentar el rea expuesta al viento (para una misma rea transversal

efectiva) resultando en una menor temperatura del conductor.

Las perdidas por efecto corona resultan de la ionizacin de molculas de aire por el campo

elctrico del conductor resultando en un sonido audible como de rompe-rasga es la corriente que

se escapa del conductor y se va a tierra. Cuando se incrementa el dimetro y por tanto la

superficie del conductor se disminuye la intensidad del campo elctrico por unidad de rea

reducindose las perdidas corona.

La reduccin de la inductancia al aumentar el dimetro del conductor es la menos intuitiva pero

pasando por un anlisis mas profundo tambin resulta ser un efecto benfico que tiene lugar al

usar conductores agrupados.

En ocasiones uno ve torres especiales donde los conductores cambian su posicin respecto a los

dems, esto se hace para conservar la impedancia mutua igual en las tres fases. Esto proviene de

arreglos asimtricos de conductores, se hacen dos transposiciones para llevar la misma distancia

en cada posicin.

Torres aisladores y otros componentes

El soporte a los conductores se logra usando postes de madera y crucetas mientras que para las

lneas mas grandes se usan torres de metal.

Idealmente lo que busca el diseo de las torres es maximizar la separacin de conductores

minimizando el material empleado, pero hacindolas tan altas que no presente problemas el cable

colgando en su punto mas bajo entre torre y torre. Cuando la temperatura sube, el cable se estira

y se tiene que hacer un compromiso entre la altura de las torres y su separacin para que el

conductor quede bien retirado del suelo, sobretodo en el cruce de caminos. Algunas veces las

torres tienen que quedar muy retiradas como en el cruce de ros o carreteras, en estos casos se

usan torres ms altas.

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Aisladores sirven para separar los conductores de la torre, estn hechos de vidrio, porcelana,

plstico se construyen con bordes redondeados tratando de evitar las esquinas filosas por donde

se forman los arcos elctricos. En su diseo, lo que se busca es maximizar su rea superficial y su

distancia longitudinal a tierra para desalentar que pequeos arcos elctricos se arrastren por su

superficie para llegar a tierra.

El nmero de aisladores empleados es proporcional al voltaje de la lnea siendo una regla de dedo

emplear un aislador por cada 10 kV.

Diseo de aisladores: Los aisladores para lneas de transmisin pueden ser una cadena de discos, o

de una pieza de material parecido al hule (no cermica).

Los aisladores de suspensin obedecen la norma ANSI C29.2 con resistencia a la tensin de

15,000-, 25,000-, 36,000- y 50,000 lb. Es prctica comn usar un factor de seguridad de 2 al

escoger la mxima tensin mecnica que se va a aplicar a los aisladores de porcelana y vidrio.

Para aisladores de fibra de vidrio es ms comn que el fabricante establezca la mxima carga de

trabajo.

Cada fabricante proporciona una catalogo con una descripcin fsica y las caractersticas

mecnicas del aislador, tambin incluye la mxima tensin de 60 Hz que soportan antes de

conducir en ambientes seco y mojado, as como resultados de pruebas de tensin aplicada (1.2x50

s) y resultados de pruebas de sobrevoltajes por maniobras (250x3000 s)

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A) Lnea de 115 kV con aisladores de suspensin y apartarrayos de lnea B) Lnea de 115 kV

en torre de transicin a cable subterrneo con cadenas de aisladores de remate

La tensin empleada en las cadenas de remate es varias veces ms grande que el peso de los

conductores esto, es para mantenerlos arriba de suelo con la catenaria apropiada.

Debido a su forma y material las torres atraen los rayos, los cuales deben ser desviados a tierra por

lo que se utilizan varillas de cobre enterradas y conectadas con cable desnudo a la torre. Para que

los rayos no afecten los conductores de las fases se instalan dos hilos de guarda con conexin

directa al cuerpo metlico de la torre y por tanto a tierra

Un herraje que llama la atencin son los amortiguadores instalados sobre los conductores a

unos cuantos metros antes de llegar a la torre, objetos metlicos de forma redondeada con un

peso en cada extremo cuya funcin es reducir la vibracin o columpio del conductor debido al

roce del aire que tratan de cambiar la frecuencia mecnica de resonancia del conductor.

Los conductores tambin pueden tener unas grandes bolas rojas o naranjas hechas de plstico o

fibra de vidrio para facilitar ser vistos por los pilotos de aeroplanos o helicpteros.

Cargabilidad de lneas de transmisin:

Las lneas de distribucin as como las lneas de subtransmisin por ser relativamente cortas y

manejar altos valores de amperes, estn limitadas en su capacidad de transmitir potencia por el

calentamiento resistivo RI2 de sus conductores. Las lneas de transmisin de mayor voltaje (y por

tanto menor amperaje) y longitud estn sujetas al limite de estabilidad.

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La estabilidad se refiere a mantener los generadores todos girando a su velocidad nominal

(velocidad de sincronismo) pues estn acoplados o amarrados unos con otros por las corrientes y

sus campos magnticos.

Para transmitir potencia a travs de una lnea se requiere que el generador en el extremo emisor

empuje mas fuerte que el o los generadores en el extremo receptor, en consecuencia, el rotor del

generador debe recibir mas potencia de su primomotor, tal que se va a adelantar un ngulo

respecto al rotor de los dems generadores.

Este ngulo, llamado ngulo de potencia indica el tiempo exacto en milisegundos en que el

voltaje alcanza su mximo, si un generador est empujando ms alcanza su mximo de voltaje

antes que los dems.

Se ha encontrado que la cantidad de potencia activa transmitida a travs de una lnea despus de

despreciar su resistencia esta dada por la expresin:

Donde es el ngulo entre los voltaje V1 y V2

Para poder transmitir una mayor cantidad de potencia a travs de una lnea dada, es necesario

incrementar la diferencia angular , sin embargo esta diferencia no puede crecer ms all

de un cierto lmite donde los generadores pueden perder sincronismo.

La lneas cortas tienen un bajo valor de reactancia X en el denominador lo que resulta en la

posibilidad de alcanzar altos valores de transmisin de potencia P, pero es mas probable que se

alcance antes el limite trmico.

Las lneas largas con valores altos de X al tratar de conducir valores elevados de potencia P

encuentran su lmite en los altos valores del ngulo antes que alcanzar su lmite trmico. Por tanto

a este limite angular se le llama limite de estabilidad.

Mientras que el limite trmico se expresa en Amp o en MVA, el limite de estabilidad se

expresa en MW.

A cada Bus del sistema de potencia se le asigna un ngulo el cual describe el momento exacto en

que el voltaje alcanza su valor mximo.

V2EXTREMO RECEPTORV1

EXTREMO EMISOR

X

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La figura anterior 6.22 describe la relacin entre el lmite trmico y el lmite de estabilidad en

funcin de la distancia para una lnea hipottica, en esta figura se considera un ngulo fijo y

mximo de 45 antes de que los generadores se salgan de paso, entonces se grafica P en

funcin de al distancia, encontrndose que las lneas cortas estn limitadas por temperatura

de sus conductores, mientras que las lneas largas estn limitadas por el limite de estabilidad