ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICAtesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/10490/1/14.pdf · 2017-12-12 · instituto politÉcnico nacional escuela superior de ingenieria

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

“ANÁLISIS DE LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN SOBRE

DUCTOS SUBTERRÁNEOS”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN:

PABLO ALEJANDRO CORONA MARTÍNEZ APOLO RAMOS ALFARO KARLA SALINAS REYES

ASESORES:

M. EN C. CARLOS TEJADA MARTÍNEZ M. EN C. ARTURO PALACIOS LOPEZ

MÉXICO, D.F. 2012

Análisis de la inducción electromagnética de líneas de transmisión sobre ductos metálicos

Resumen i

RESUMEN

En esta tesis se presenta un análisis de la inducción electromagnética de líneas de

transmisión sobre poliductos metálicos subterráneos. Dicho análisis se realizó con el

objetivo de obtener las tensiones inducidas en ductos metálicos que comparten el derecho

de vía de las líneas de transmisión de energía eléctrica de corriente alterna, considerando

que dichas tensiones sean producidas por la operación en estado estable de la línea, así

como por fallas de cortocircuito. Para la realización de éste análisis, se utiliza el programa

ATP (AlternativeTransientProgram), los resultados obtenidos de las simulaciones en dicho

programa, se analizan con el fin de observar el comportamiento de los niveles de tensión

inducida considerando los distintos casos de operación: en condiciones normales, en

condiciones de falla trifásica, en condiciones de falla bifásica y en condiciones de falla

monofásica y en base a los resultados obtenidos, analizar si las tensiones inducidas que

ponen en riesgo la vida útil de los ductos.

Para reducir las tensiones inducidas en los ductos subterráneos, se realizó una propuesta

de solución, la cual considera como medida de mitigación la implementación de hilos de

blindaje debajo de las líneas de transmisión.

En el presente trabajo de tesis se hicieron simulaciones para líneas de transmisión de 230

kV y 400 kV; en ambos casos, la máxima tensión inducida alcanzada es en la condición

de operación de falla monofásica (264 V y 742 V respectivamente), razón por la cual se

utiliza este caso de operación para su análisis considerando la utilización de la medida

para la disminución de la tensión propuesta, los resultados obtenidos de esta simulación

se comparan con una línea operando en condiciones de falla monofásica que no cuenta

con hilos de blindaje; las tensiones se reducen considerablemente en ambos casos (190

V y 633 V respectivamente).

Además de realizar la comparación de tensiones utilizando la medida de moderación y

considerando la línea sin dicha medida, se buscó también obtener las condiciones

óptimas de colocación de los hilos de blindaje; las cuales varían de acuerdo a la línea

analizada; para el caso de una línea de 230 kV, la altura óptima es de 22.27 m y la

separación entre hilos es de 5.2 m; y para el caso de una línea de 400 kV, la altura óptima

es de 21 m y la separación entre hilos es de 12.47 m.


Índice General ii

ÍNDICE

Resumen .............................................................................................................................. i Índice ................................................................................................................................... ii Índice de Figuras ................................................................................................................. v

Índice de Tablas ............................................................................................................... viii

Glosario de Términos y Abreviaturas .................................................................................. ix Introducción ......................................................................................................................... x

Justificación ........................................................................................................................ xi

Objetivos ............................................................................................................................ xii

Capítulo I. “Líneas de Transmisión”

1.1

1.2

1.3

Conceptos básicos de Líneas de Transmisión ......................................... 2 Generalidades de las líneas de transmisión .............................................. 2

1.2.1 Transposición ............................................................................... 9 Parámetros de Líneas de Transmisión ..................................................... 10

1.3.1

1.3.2

1.3.3

Elementos principales de una línea de transmisión ................... 10

Herrajes para líneas de transmisión........................................... 10

Elementos constitutivos de la cadena de aisladores ................ 10

Capítulo II. “ Inducción Electromagnética y Corrosión de Ductos Metálicos”

2.1 Inducción Magnética ................................................................................. 12

2.2 Campos electromagnéticos producidos por líneas de transmisión ............ 12

2.3 Corrosión .................................................................................................. 13

2.4 Protección Catódica.................................................................................. 14

2.5 Corrosión por suelos................................................................................. 15

2.5.1 Consideraciones de diseño para la protección catódica en ductos enterrados

................ 15

2.6 Efectos de líneas de transmisión de energía de corriente alterna en alta tensión hacia tuberías enterradas

.............. 16

2.6.1

Interferencias por corrientes alternas ......................................... 17


Índice General iii

Capítulo III. “Modelado y simulación de la inducción magnética en ductos metálicos”

3.1

Simulación de las líneas de transmisión utilizando el programa ATP . 20

3.2 Torre de transmisión autosoportada tipo 2R2 de 230 kV (dos circuitos) ..21

3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5

Datos de la línea a ser simulada ............................................... 22

Caso 1. Torre de transmisión de 230 kV en condiciones normales de operación

Caso 2. Torre de transmisión de 230 kV operando con una falla trifásica Caso 3. Torre de transmisión de 230 kV operando con una falla bifásica Caso 4. Torre de transmisión de 230 kV operando con una falla monofásica

................ 24 ................ 26 ................ 28 ................ 30

3.3

Torre de transmisión autosoportada tipo A de 400 kV (un circuito) .......... 33

3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5

Datos de la línea a ser simulada ............................................... 33 Caso 1. Torre de transmisión de 400 kV en condiciones normales de operación Caso 2. Torre de transmisión de 400 kV operando con una falla trifásica Caso 3. Torre de transmisión de 400 kV operando con una falla bifásica Caso 4. Torre de transmisión de 400 kV operando con una falla monofásica

................ 36 ................ 38 ................ 40 ................ 42

3.4 Análisis de resultados de las tensiones inducidas en el ducto metálico subterráneo en distintas condiciones de operación

................ 44

Capítulo IV. “Estrategia de solución para las tensiones inducidas en los ductos metálicos subterráneos”

4.1 4.2 4.3 4.4

Introducción ............................................................................................ 47 Medidas de disminución de la tensión..................................................... 47 Estrategia de solución ............................................................................. 47 Torre de transmisión autosoportada tipo 2R2 de 230 kV (dos circuitos) ..48

4.4.1 4.4.2

Prueba para encontrar la altura más apropiada de los hilos de blindaje de una torre de transmisión de 230 kV Prueba para encontrar la separación más apropiada de los hilos de blindaje de una torre de transmisión de 230 kV

.................. 49 .................. 50


Índice General iv

4.4.3 Comparación en dos condiciones distintas de operación de la línea de transmisión de 230 kV

.................. 52

4.5 Torre de transmisión autosoportada tipo A de 400 kV (un circuito) ........... 56

4.5.1 Prueba para encontrar la altura más apropiada de los hilos de blindaje de una torre de transmisión de 400 kV

.................. 56

4.5.2

4.5.3

Prueba para encontrar la separación más apropiada de los hilos de blindaje de una torre de transmisión de 400 kV Comparación en dos condiciones distintas de operación de la línea de transmisión de 400 kV

................ 58 ................ 60

4.6 Análisis de resultados de la medida de mitigación propuesta ................... 74

Capítulo V. “Conclusiones”

5.1 5.2 5.3

Conclusiones ............................................................................................ 67 Recomendaciones para trabajos futuros .................................................. 68 Comparación con otros trabajos ............................................................... 68

Referencias ..................................................................................................................... 69 Anexo A ........................................................................................................................... 70

Anexo B ........................................................................................................................... 74

Glosario ........................................................................................................................... 78


Índice de Figuras v

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1. Torre Reticulado de Acero ............................................................................ 3 Figura 1.2. Torre de Hormigón ........................................................................................ 4 Figura 1.3 Torre de suspensión con pórtico de hormigón ............................................. 4 Figura 1.4. Poste de hormigón ........................................................................................ 5 Figura 1.5. Torre de retención ......................................................................................... 6 Figura 1.6. Torre de suspensión o arriendada (económica) ........................................... 7 Figura 1.7. Base de la torre para la colocación de la tierra física ................................... 8 Figura 1.8. Detalle A de la base de la torre..................................................................... 8 Figura 1.9. Detalle B de la base de la torre..................................................................... 9 Figura 3.1. Torre de transmisión autosoportada tipo 2R2 de 230 kV (dos circuitos) ... 21 Figura 3.2. Datos de la torre de transmisión de 230 kV................................................ 22 Figura 3.3. Distancias de la torre de transmisión de 230 kV ........................................ 23 Figura 3.4. Datos de la fuente de tensión ..................................................................... 23 Figura 3.5. Valores del interruptor de tensión controlada ............................................. 24 Figura 3.6. Torre de transmisión de 230 kV en paralelo con un

ducto subterráneo, operando en condiciones normales ........................ 25

Figura 3.7. Tensión en el nodo emisor y receptor de la torre de transmisión de 230 kV

........................ 25

Figura 3.8. Tensión inducida en el ducto, considerando que la línea de 230 kV opera en condiciones normales.

........................ 26

Figura 3.9. Torre de transmisión de 230 kV, en paralelo con un ducto subterráneo, considerando que existe una falla trifásica en la línea.

........................ 26

Figura 3.10. Tensión en el nodo emisor de la torre de transmisión de 230 kV .............. 27 Figura 3.11. Tensión en el nodo receptor de la torre de transmisión de 230 kV ............ 27 Figura 3.12. Tensión inducida en el ducto, considerando la

existencia de una falla trifásica en la línea de 230 kV. ......................... 28

Figura 3.13. Torre de transmisión de 230 kV, en paralelo con un ducto subterráneo, considerando que existe una falla bifásica en las fases B y C

......................... 28

Figura 3.14 Tensión en el nodo emisor de la torre de transmisión de 230 kV .............. 29 Figura 3.15. Tensión en el nodo receptor de la torre de transmisión de 230 V ............. 29 Figura 3.16. Tensión inducida en el ducto, considerando la

existencia de una falla bifásica entre las fases B y C. ......................... 30

Figura 3.17. Torre de transmisión de 230 kV, en paralelo con un ducto subterráneo, considerando que existe una falla monofásica en la fase A.

......................... 30

Figura 3.18. Tensión en el nodo emisor de la torre de transmisión de 230 kV .............. 31 Figura 3.19. Tensión en el nodo receptor de la torre de transmisión de 230 kV ............ 31

Figura 3.20. Tensión inducida en el ducto, considerando la existencia de una falla monofásica en la fase A.

........................ 32

Figura 3.21. Torre de transmisión autosoportada tipo A de 400 kV (un circuito) ........... 33 Figura 3.22. Datos de la torre de transmisión de 400 kV................................................ 34 Figura 3.23. Distancias de la torre de transmisión de 400 kV ........................................ 34 Figura 3.24. Parámetros utilizados en la simulación de la fuente .................................. 35 Figura 3.25. Valores considerados en el interruptor de tensión controlada ................... 35 Figura 3.26. Torre de transmisión de 400 kV en paralelo con un

ducto subterráneo, operando en condiciones ........................ 36


Índice de Figuras vi

normales. Figura 3.27. Tensión en el nodo emisor y receptor de la torre de

transmisión de 400 kV ........................ 37

Figura 3.28. Tensión inducida en el ducto, considerando que la línea de 400 kV opera en condiciones normales.

........................ 37

Figura 3.29.

Torre de transmisión de 400 kV, en paralelo con un ducto subterráneo, considerando que existe una falla trifásica en la línea.

........................ 38

Figura 3.30. Tensión en el nodo emisor de la torre de transmisión de 400 kV .............. 38 Figura 3.31. Tensión en el nodo receptor de la torre de transmisión de 400 kV ............ 39 Figura 3.32 Tensión inducida en el ducto, considerando la

existencia de una falla trifásica en la línea de 400 kV. ....................... 39

Figura 3.33. Torre de transmisión de 400 kV, en paralelo con un ducto subterráneo, considerando que existe una falla bifásica en las fases A y C.

....................... 40

Figura 3.34. Tensión en el nodo emisor de la torre de transmisión de 400 kV .............. 40 Figura 3.35. Tensión en el nodo receptor de la torre de transmisión de 400 kV ............ 41 Figura 3.36. Tensión inducida en el ducto, considerando la

existencia de una falla bifásica entre las fases A y C. ........................ 41

Figura 3.37 Torre de transmisión de 400 kV, en paralelo con un ducto subterráneo, considerando que existe una falla monofásica en la fase A

........................ 42

Figura 3.38. Tensión en el nodo emisor de la torre de transmisión de 400 kV .............. 42 Figura 3.39. Tensión en el nodo receptor de la torre de transmisión de 400 kV ............ 43

Figura 3.40. Tensión inducida en el ducto, considerando la existencia de una falla monofásica en la fase A.

....................... 43

Figura 3.41. Tensiones en la línea de transmisión de 230 kV, considerando distintas condiciones de operación.

....................... 44

Figura 3.42. Tensiones en la línea de transmisión de 400 kV, considerando distintas condiciones de operación.

....................... 45

Figura 4.1. Alturas de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 230 kV.

....................... 49

Figura 4.2. Gráfica de comparación de Vpico para elegir la altura más adecuada de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 230 kV.

....................... 50

Figura 4.3. Separación de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 230 kV.

....................... 51

Figura 4.4. Gráfica de comparación de Vpico para elegir la separación más adecuada de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 230kV.

....................... 52

Figura 4.5. Comparación de una línea con hilos de blindaje y una línea sin hilos de blindaje considerando condiciones normales de operación.

....................... 53

Figura 4.6. Gráfica de comparación de Vpico considerando una línea de transmisión en condiciones normales.

....................... 54

Figura 4.7. Comparación de una línea con hilos de blindaje y una línea sin hilos de blindaje en condiciones de falla monofásica.

....................... 55

Figura 4.8. Gráfica de comparación de Vpico considerando una línea de transmisión operando en condiciones de falla monofásica.

....................... 56

Figura 4.9. Alturas de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 400 kV.

....................... 57


Índice de Figuras vii

Figura 4.10. Gráfica de comparación de Vpico para elegir la altura más adecuada de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 400 kV.

....................... 58

Figura 4.11. Separación de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 400 kV.

....................... 58

Figura 4.12. Gráfica de comparación de Vpico para elegir la separación más adecuada de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 400 kV.

....................... 59

Figura 4.13. Comparación de una línea con hilos de blindaje y una línea sin hilos de blindaje considerando condiciones normales de operación.

....................... 60

Figura 4.14. Gráfica de comparación de Vpico considerando una línea de transmisión en condiciones normales.

....................... 61

Figura 4.15. Comparación de una línea con hilos de blindaje y una línea sin hilos de blindaje en condiciones de falla monofásica.

....................... 62

Figura 4.16. Figura 4.17 Figura 4.18

Gráfica de comparación de Vpico considerando una línea de transmisión operando en condiciones de falla monofásica. Torre de transmisión autosoportada tipo 2R2 de 230 kV (dos circuitos) con un conductor de blindaje a la altura y distancia horizontal adecuadas. Torre de transmisión autosoportada tipo A de 400 kV (un circuito) con un conductor de blindaje a la altura y distancia horizontal adecuadas.

....................... 63 ………………..64 ………………..65

Figura A.1. Tareas principales del ATP ......................................................................... 71


Índice de Tablas viii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 3.1. Tensiones inducidas en el ducto metálico .......................................... …….44

Tabla 4.1. Características del conductor de cobre desnudo ....................................... 48

Tabla 4.2. Valores de la tensión máxima inducida a distintas alturas

de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 230 kV

.......................50

Tabla 4.3. Valores de la tensión máxima inducida a distintas separaciones de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 230 kV

………….…….51

Tabla 4.4. Valores de la comparación de la tensión máxima inducida en el ducto considerando condiciones normales de operación

...................... 53

Tabla 4.5. Valores de la comparación de la tensión máxima en el ducto en condiciones de falla monofásica

...................... 55

Tabla 4.6. Valores de la tensión máxima inducida a distintas alturas de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 400 kV

...................... 57

Tabla 4.7. Valores de la tensión máxima inducida a distintas separaciones de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 400 kV

...................... 59

Tabla 4.8. Valores de la comparación de la tensión máxima inducida en el ducto considerando condiciones normales de operación

...................... 61

Tabla 4.9. Valores de la comparación de la tensión máxima en el ducto en condiciones de falla monofásica

...................... 62

Tabla 4.10. Instalación óptima de conductores de blindaje .......................................... 63

Tabla B.1. Niveles de tensión utilizados en la línea de transmisión ............................ 74

Tabla B.2. Calibres de los conductores de la línea de transmisión ............................. 74

Tabla B.3. Características generales de conductores de 1113 kCM

ACSR ...................... 76

Tabla B.4. Características generales de conductores de 900KCM ACSR ….. ............ 77


Glosario de Términos y Abreviaturas ix

GLOSARIO DE TÉRMINOS Y ABREVIATURAS

ATP: ACSR: A: cm: CA:

𝝋: EMTP: f.e.m.: Hz: kCM: kg: km: kV: m: mm: mm2: ms: µs: NACE: NOM: Ω/m: s: t: UNE:

AlternativeTransientProgram Aluminum Conductor Steel Reinforced (Cable de aluminio con refuerzo central de acero) Amperes Centímetros Corriente Alterna Densidad de flujo magnético ElectromagneticTransientProgram Fuerza electromotriz Hertz Kilo Circular Mil kilogramo Kilómetro Kilovolt Metro Milímetro Milímetro cuadrado Milisegundo Microsegundo NationalAssociation of CorrosionEngineers (Asociación Nacional de Ingenieros en Corrosión) Norma Oficial Mexicana Ohms por metro Segundo Tiempo Unificación de Normativas Españolas


Introducción x

INTRODUCCIÓN

El uso del derecho de vía en las líneas de transmisión de alta tensión, compartido con

oleoductos, gasoductos metálicos, y otro tipo de tuberías, ha llegado a ser común. Esta

tendencia es principalmente debido a las restricciones impuestas por organismos privados

y gubernamentales en relación con el trazado e impacto ambiental que la construcción de

este tipo de obras ocasiona en una zona determinada. Estas restricciones son aún más

estrictas en la medida enla construcción sea reciente y se ubique enáreas de alta

densidad urbana. Al compartir el derecho de vía, se plantea la cuestión de qué tanto

pueden afectar las líneas de transmisión de alta tensión a las líneas de tuberías

subterráneas, ya que en la actualidad se ha tenido un incremento en la cantidad de líneas

de alta tensión, trenes electrificados, revestimientos de gran aislamiento, el uso de

corredores utilitarios (derecho de vía compartido) e incremento en las cargas de corriente

en los conductores.

Existen evidencias de afectaciones a tuberías de acero que comparten derechos de vía

con conductores de alta tensión de corriente alterna, soportados en torres y con recorridos

de kilómetros en paralelismo. Dichas afectaciones han sido evidenciadas por

manifestaciones de corrosión o por desperfectos en tuberías cuya protección anticorrosiva

sufrió daños, por tensiones inducidas o por alteraciones en la protección catódica de

éstas.

La manifestación de este tipo de problemas se ha relacionado principalmente con

alteraciones de las características aislantes en los soportes de los brazos de las torres de

transmisión, durante eventos de descontrol por descargas atmosféricas o por fallas de

cortocircuito en las líneas aéreas, lo cual origina la transmisión de corriente hacia las

bases de las torres y a partir de éstas a las tuberías enterradas cercanas.


Justificación xi

JUSTIFICACIÓN

Debido a las fallas de cortocircuito en las líneas de transmisión, las cuales se encuentran

ya sea en forma paralela, en cruzamientos o muy próximos a los ductos metálicos

subterráneos, éstos últimos pueden ser afectados por la tensión inducida o corriente de

fuga o falla, lo que provoca un daño en la protección catódica de los ductos.

Por esta razón, el análisis de la inducción electromagnética en los ductos metálicos

provocada por fallas de cortocircuito en las líneas de transmisión, es de suma importancia

debido a que en algunas zonas las torres de transmisión que van en paralelo con los

ductos metálicos subterráneos, inducen tensiones en los ductos que llegan a dañar su

protección catódica, esta protección funciona como una pila galvánica con un electrodo

de sacrificio pero si existe una sobretensión o sobrecorriente en la estructura de la torre,

puede llegar a provocar un daño irreversible en el ducto o en el rectificador que realiza la

protección catódica del mismo.


Objetivos xii

OBJETIVOS

Objetivo General:

Analizar las tensiones inducidas en ductos metálicos que comparten el derecho de vía de

las líneas de transmisión de energía eléctrica de corriente alterna, considerando que las

inducciones sean producidas por condiciones de operación en estado estable, así como

por fallas de cortocircuito.

Objetivos Particulares:

Utilizar el programa ATP para simular líneas de transmisión de 230 y 400 kV bajo

condiciones normales de operación, así como fallas de cortocircuito, para poder analizar

los resultados obtenidos con el fin de observar si los niveles de tensión inducida dañan de

manera peligrosa o permanente a ductos subterráneos.

Proponer estrategias de blindaje para la reducción de dichas tensiones.

CAPÍTULO I

““LLÍÍNNEEAASS DDEE TTRRAANNSSMMIISSIIÓÓNN””

En este capítulo se presentan las definiciones y conceptos relacionados con las líneas de transmisión.


Capítulo 1. Líneas de transmisión 2

1.1 Conceptos básicos de Líneas de Transmisión

A continuación se definen los conceptos básicos de los sistemas de transmisión, específicamente de uno de los elementos de dichos sistemas; las líneas de transmisión: LINEAS DE TRANSMISION

Es el conjunto de dispositivos para transportar o guiar la energia electrica desde una fuente de generacion a los centros de consumo ( las cargas), y esto son utilizados normalmente cuando no es costeable producir la energia electrica en los centros de consumo o cuando afecta el medio ambiente (visual, acustico o fisico), buscando siempre maximizar la eficiencia, haciendo las perdidas por calor o por radiaciones las mas pequeñas posibles.

SISTEMA ELÉCTRICO

Conjunto de equipos, dispositivos, aparatos, accesorios, materiales y conductores de

líneas y circuitos de transmisión y distribución, comprendidos desde la fuente hasta

los equipos de utilización.

SISTEMAS TRIFÁSICOS

Es un sistema de producción, distribución y consumo de energía eléctrica formado

por tres corrientes alternas monofásicas de igual frecuencia y amplitud (y por

consiguiente, valor eficaz) que presentan un desfasamiento entre ellas, en torno a

120°, y están dadas en un orden determinado. Cada una de las corrientes

monofásicas que forman el sistema se designa con el nombre de fase.

SISTEMAS MONOFÁSICOS

Conjunto de uno o varios generadores monofásicos conectados en paralelo entre sí y

con un conjunto de receptores por medio de una línea de dos hilos formado por una

corriente alterna o fase.

AISLADORES

Se construyen con vidrio, pastas “compound” (compuestas) patentadas y porcelana.

Para líneas de transmisión los aisladores de vidrio solo son recomendables si están

construidos con vidrio especial resistente al calor, tal como el Pirex. Los productos

orgánicos, incluyendo los compuestos o pasta “compound” de origen orgánico, no

resisten la acción prolongada de altas tensiones, especialmente si están expuestos a

la intemperie, por lo cual su uso queda limitado a instalaciones de baja tensión al

interior de edificios. [1]

1.2 Generalidades de las líneas de transmisión

En redes de media y alta tensión, se emplean torres de hormigón y reticulado de acero.

En la figura 1.1 y figura 1.2 se muestran los esquemas más comunes de estas torres. La

elección del tipo de torre se hace sobre la base de criterios económicos, de sismicidad y

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_alterna

http://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia

http://es.wikipedia.org/wiki/Amplitud

http://es.wikipedia.org/wiki/Valor_eficaz

http://es.wikipedia.org/wiki/Fase



en base al vano, que es la distancia entre dos torres. Los estudios técnico-económicos,

que tienen en cuenta los factores técnicos, climáticos y economicos, permiten generar

sofware con los cuales se determina lo que se denomina vano económico, que es la

distancia entre torres que hace mínimo el costo por kilómetro. Las estructuras de soporte,

torres o postes, pueden ser de suspensión o de retención. Las primeras se instalan en los

tramos rectos de las líneas, mientras que las segunda son para los lugares en que,

además, la línea debe soportar esfuerzos laterales, producto del cambio de dirección

(deflexión) o finales de línea. La figura 1.3 y figura 1.4 ejemplifica dos tipos de torres de

hormigón. [2]

Debe notarse que tanto en las figuras 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, las torres tienen el llamado hilo

de guarda, marcado con las letras HG. Dicho elemento es de acero galvanizado.

Figura 1.1 Torre Reticulado de Acero.



Figura 1.2 Torre de hormigón

Figura 1.3 Torre de suspension con portico de hormigon.



Figura 1.4 Poste de hormigon



Figura 1.5. Torre de Retención

Las torres metálicas son estructuras de perfiles angulares, vinculados directamente entre

sí o a través de chapas, mediante uniones (tornillos). Para mejor mantenimiento, son

galvanizadas y el acero es de alta resistencia. Las estructuras se dimensionan por medio

de sistemas computarizados que minimizan el peso de las estructuras. Los postes de

hormigón, en cambio, son del tipo armado,. Las crucetas o ménsulas, son del mismo

material en la mayor parte de los casos.

En la figura 1.5 se muestra la silueta de una torre auto portante o de retención, mientras

que la figura 1.6 es una torre de suspensión metálica, con dos hilos de guarda y doble

cadena de aisladores por fase, además de cuatro conductores por fase, esta torre

también es conocida como torre económica.



Figura 1.6. Torre de suspensión o arriendada (económica)

En todos los casos, las cimentaciones representan un papel importante en la seguridad y

en el costo de una línea de transmisión, y deben permitir la fácil colocación de las tomas

de tierra que se muestran en las figuras 1.7, 1.8 y 1.9.



Figura 1.7. Bases de la torre para la colocación de la tierra física

Figura 1.8 Detalle A de la base de la Torre.



Figura 1.9 Detalle B de la base de la Torre

A continuación se muestran las características principales para la utilización de

cimentaciones de tierra, de hormigón, anclajes en roca y estructuras especiales.

Cimentaciones de tierra: Los anclajes de acero colocados con revestimientos de

protección son económicos y se han usados con éxito para torres de sustentación

o alineación. El tipo más satisfactorio de anclaje de acero es el piramidal, bien sea

triangular o cuadrado.

Cimentaciones de hormigón: Estas cimentaciones se usan generalmente en

torres de ángulo y de amarre o final de línea y para las estructuras especiales que

requieren gran resistencia, como son las de cruce de ríos, y torres en los extremos

de vanos extraordinariamente largos.

Anclajes en roca: Estos anclajes pueden sustituir a los de acero con rejas o

bases de hormigón, en terrenos de rocas firmes. Para estos anclajes, se entierran

en la roca taladros de diámetro superior al de los pernos, posteriormente se

colocan los pernos, rellenando inmediatamente los huecos. Los pernos de anclaje

deberían abrirse en su extremo y ser colocados con cuñas.

Estructuras especiales: Cuando no es factible realizar la transposición de

conductores en torres normales mediante crucetas adecuadas, son necesarias

torres especiales. Los tramos largos sobre ríos y bahías y los cruces de carreteras

principales y líneas principales y líneas más importantes de ferrocarril, requieren

torres mucho más altas que las normales.

1.2.1 Transposición

Consiste en un intercambio de la posición física de los cables para que todas las

fases ocupen la misma posición relativa en la instalación por la misma longitud. Se

lleva a cabo con la finalidad de que las fases tengan las mismas características

eléctricas, principalmente la impedancia, para que ninguna de ellas este sometida a

una carga mayor que las otras.



1.3 Clasificación de las Líneas de Transmisión

Según la distancia las líneas de transmisión se pueden clasificar de la siguiente manera. Líneas largas > 220 km Líneas medias 80 -220 km Líneas cortas < 80 km

1.3.1 Elementos principales de una Línea de Transmisión

Aisladores Vidrio-porcelana, Hule sintético. Postes. De madera, Cemento, Acero Seccionadores Cuchillas e interruptores. Conductores. Banco de capacitores. Apartar rayos. Pararrayos Hilos de guarda

1.3.2 Herrajes para Líneas de Transmisión

Cadena se suspensión Cadena de anclaje Clemas y grapas de suspensión Remates de compresión Orquillas de bola Yugos Grapas metalicas Grilletes y orquillas

1.3.4 Elementos constitutivos de la cadena de aisladores Los herrajes utilizados son:

Horquilla bola Grillete. Anilla bola normal y de protección. Rótula normal y de protección. Grapa de suspensión. Varilla proferida para protección.

CAPÍTULO II

““IINNDDUUCCCCIIÓÓNN

EELLEECCTTRROOMMAAGGNNÉÉTTIICCAA YY

CCOORRRROOSSIIÓÓNN DDEE DDUUCCTTOOSS

MMEETTÁÁLLIICCOOSS””

En este capítulo se presenta la definición de la inducción electromagnética, al igual que del proceso de corrosión, la protección catódica con ánodos de sacrificio, se revisan también algunas consideraciones de diseño para la protección en tuberías enterradas así como las formas de inducción de corrientes y tensiones con corriente alterna.


Capítulo 2. Inducción Electromagnética y Corrosión de ductos metálicos 12

2.1 Inducción Magnética

La inducción magnética llamada también densidad de flujo magnético o intensidad de

campo magnético, es el fenómeno que da origen a la producción de una fuerza

electromotriz inducida (f.e.m.) en un medio o cuerpo completo, siempre que cambia la

cantidad de líneas de campo magnético en un campo magnético variable que pasan por el

plano del cuerpo, o bien en un medio móvil expuesto a un campo magnético estático. Por

lo tanto, cuando dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida [3].

Las corrientes que circulan en los conductores de fase de una línea de transmisión son la

fuente de los campos magnéticos creados alrededor de las líneas de transmisión. El

retorno por tierra de las líneas de transmisión y el sistema de transmisión huésped (por

ejemplo cables de telecomunicaciones, tuberías, vías de ferrocarril, etcétera) forman un

lazo con un área efectiva por la cual existe un flujo magnético variable en el tiempo. Esto

resulta en una tensión magnéticamente inducida por el lazo ya mencionado, lo cual

sucede a consecuencia de la ley de Faraday, donde la tensión inducida depende de la

densidad de flujo magnético como se muestra en la ecuación 2.1.

𝑓𝑒𝑚 =𝑑𝜑

𝑑𝑡……………………………………………….. 2.1

Donde:

fem = Fuerza Electromotriz

d = Densidad de Flujo Magnético

dt = Tiempo

Por otro lado, Heinrich Lenz comprobó que la corriente debida a la f.e.m. inducida se

opone al cambio de flujo magnético, de forma tal que la corriente tiende a mantener el

flujo. Esto es válido tanto para el caso en que la intensidad del flujo varíe, o que el cuerpo

conductor se mueva respecto de él.

La Ley de Lenz dice que las tensiones inducidas serán de un sentido tal, que se opongan

a la variación del flujo magnético que las produjo. Esta ley es una consecuencia del

principio de conservación de la energía. La polaridad de una tensión inducida es tal, que

tiende a producir una corriente, cuyo campo magnético se opone siempre a las

variaciones del campo existente producido por la corriente original [4].

2.2 Campos electromagnéticos producidos por líneas de transmisión

El ambiente electromagnético creado por las líneas de transmisión es bastante complejo,

ya que intervienen diferentes factores como la disposición geométrica de los conductores

y sus retornos por tierra. Los campos creados a la frecuencia nominal de 60 Hz son los

predominantes en cuanto a magnitud y duración, aunque en la línea de transmisión

circulan otras corrientes con frecuencias armónicas que también producen campos



electromagnéticos, por lo que éstos se clasifican como campos de extra baja frecuencia

(Extremely Low Frequency, ELF) [5].

Existen otros tipos de fuentes dentro de la misma línea de transmisión que producen

campos electromagnéticos en otros anchos de banda, por ejemplo, efecto corona en

líneas de transmisión.

El uso de corredores comunes para líneas de transmisión y otros sistemas de transmisión

huéspedes (cables de telecomunicaciones, tuberías de gas, vías de ferrocarril, etcétera)

llegan a tener problemas debido al acoplamiento electromagnético.

2.3 Corrosión

La corrosión se define como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque

electroquímico por su entorno. Siempre que la corrosión esté originada por una reacción

electroquímica (oxidación), la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida

de la temperatura, las características del fluido en contacto con el metal y las propiedades

de los metales en cuestión. Otros materiales no metálicos también sufren corrosión

mediante otros mecanismos. [6]

Los procesos de corrosión suceden por una reacción química (oxidorreducción) en la que

intervienen dos factores: la pieza metálica y el ambiente, o por medio de una reacción

electroquímica.

Los procesos de corrosión más conocidos son las alteraciones químicas de los metales a

causa del aire, como la herrumbre del hierro y el acero o la formación de pátina verde en

el cobre y sus aleaciones (bronce, latón). Sin embargo, la corrosión es un fenómeno

mucho más amplio que afecta a todos los materiales (metales, cerámicas, polímeros, etc.)

y todos los ambientes (medios acuosos, atmósfera, alta temperatura, etc.). Es un

problema industrial importante, pues es de riesgo para equipos y materiales ya que es

causa de accidentes (ruptura de tuberías) lo que representa un costo importante.

La corrosión es un fenómeno electroquímico. Una corriente de electrones se establece

cuando existe una diferencia de potenciales entre un punto y otro. Cuando desde una

especie química cede y migran electrones hacia otra especie, se dice que la especie que

los emite se comporta como un ánodo y se verifica la oxidación, y aquella que los recibe

se comporta como un cátodo y en ella se verifica la reducción.

Para que la corrosión ocurra entre las especies metálicas, debe existir un diferencial

electroquímico, si se separa una especie y su semi-reacción se le denominará semipar

electroquímico, si se juntan ambos semipares se formará un par electroquímico. Cada

semipar está asociado a un potencial de reducción. Aquel metal o especie química que

exhiba un potencial de reducción más positivo procederá como una reducción y viceversa,

aquel que exhiba un potencial de reducción más negativo procederá como una oxidación.



Para que haya corrosión electroquímica además del ánodo y el cátodo debe existir un

electrolito (por esta razón también se suele llamar corrosión húmeda). La transmisión de

cargas eléctricas es por electrones del ánodo al cátodo (por medio del metal) y por iones

en el electrolito.

Este par de metales constituye la llamada pila galvánica, en donde la especie que se

oxida (ánodo) cede sus electrones y la especie que se reduce (cátodo) acepta electrones.

Al formarse la pila galvánica el cátodo se polariza negativamente mientras el ánodo se

polariza positivamente.

Por lo tanto, la corrosión es un fenómeno que depende del material utilizado, de la

concepción de la pieza (forma, tratamiento, montaje) y del ambiente. Se influye entonces

en estos tres parámetros; en ocasiones se influye también en la reacción química misma.

2.4 Protección catódica

La protección catódica es una técnica de control de la corrosión, es aplicada cada día con

mayor éxito en el mundo entero, día a día se hacen necesarias nuevas instalaciones de

ductos para transportar petróleo, productos terminados, agua; así como para tanques de

almacenamiento, cables eléctricos y telefónicos enterrados y otras instalaciones

importantes [7].

En la práctica se aplica protección catódica en metales como acero, cobre, plomo, latón, y

aluminio, contra la corrosión en todos los suelos y, en casi todos los medios acuosos. De

igual manera, se elimina el agrietamiento por corrosión bajo tensiones por corrosión,

corrosión intergranular, picaduras o tanques generalizados [8].

Tomando en cuenta la serie electroquímica de los metales, un metal tendrá carácter

anódico respecto de otro si se encuentra arriba de él en dicha serie. Así, por ejemplo, el

hierro será anódico con relación al cobre y catódico respecto al zinc. El metal que actúa

como ánodo se "sacrifica" (se disuelve) en favor del metal que actúa como cátodo; por

esto el sistema se conoce como protección catódica con ánodos de sacrificio.

Cabe mencionar que si cada fracción del metal expuesto de una tubería o una estructura

construida de tal forma de coleccionar corriente, dicha estructura no se corroerá porque

sería un cátodo. La protección catódica realiza exactamente lo expuesto forzando la

corriente de una fuente externa, sobre toda la superficie de la estructura.

Mientras que la cantidad de corriente que fluye, sea ajustada apropiadamente venciendo

la corriente de corrosión y, descargándose desde todas las áreas anódicas, existirá un

flujo neto de corriente sobre la superficie, llegando a ser toda la superficie un cátodo.

La protección catódica funciona gracias a la descarga de corriente desde una cama de

ánodos hacia tierra y dichos materiales están sujetos a corrosión, por lo que es deseable



que dichos materiales se desgasten (se corroan) a velocidades menores que los

materiales que protegemos [8].

La protección catódica no elimina la corrosión, ésta remueve la corrosión de la estructura

a ser protegida y la concentra en un punto donde se descarga la corriente.

Para su funcionamiento práctico requiere de un electrodo auxiliar (ánodo), una fuente de

corriente continua cuyo terminal positivo se conecta al electrodo auxiliar y el terminal

negativo a la estructura a proteger, fluyendo la corriente desde el electrodo a través del

electrolito llegando a la estructura.

2.5 Corrosión por suelos

Se designa químicamente corrosión por suelos, a los procesos de degradación que son

observados en estructuras enterradas. La intensidad dependerá de varios factores tales

como el contenido de humedad, composición química, pH del suelo, etc. En la práctica

suele utilizarse comúnmente el valor de la resistividad eléctrica del suelo como índice de

su agresividad; por ejemplo un terreno muy agresivo, caracterizado por presencia de

iones tales como cloruros, tendrá resistividades bajas, por la alta facilidad de

transportación iónica.

2.5.1 Consideraciones de diseño para la protección catódica en ductos

enterrados

La proyección de un sistema de protección catódica requiere de la investigación de

características respecto a la tubería a proteger, y al medio [8].

RESPECTO A LA ESTRUCTURA A PROTEGER

Material de la estructura;

Especificaciones y propiedades del revestimiento protector (si existe);

Características de construcción y dimensiones geométricas;

Localización y características de otras estructuras metálicas, enterradas o

sumergidas en las proximidades;

Información referente a los sistemas de protección catódica, los sistemas de

operación, aplicados en las estructuras o tuberías aledañas;

Análisis de condiciones de operación de líneas de transmisión eléctrica en alta

tensión, que se mantengan en paralelo o se crucen con las estructuras

enterradas y puedan causar inducción de la corriente;

Información sobre todas las fuentes de corriente continua, en las proximidades

que puedan originar corrosión;



Sondeo de las fuentes de corriente alterna de baja y media tensión, que

podrían alimentar rectificadores de corriente o condiciones mínimas para la

utilización de fuentes alternas de energía.

RESPECTO AL MEDIO

Luego de disponer de la información anterior, el diseño será factible

complementando la información con las mediciones de las características de

campo como:

Mediciones de la resisitividad eléctrica a fin de evaluar las condiciones de

corrosión a que estará sometida la estructura.

Definir sobre el tipo de sistema a utilizar; galvánico o corriente impresa y,

escoger los mejores lugares para la instalación de ánodos;

Mediciones del potencial Estructura-Electrolito, para evaluar las condiciones de

corrosión en la estructura, así mismo, detectar los problemas de corrosión

electrolítica;

Determinación de los lugares para la instalación de ánodo bajo los siguientes

principios:

Lugares de baja resistividad.

Distribución de la corriente sobre la estructura.

Accesibilidad a los sitios para montaje e inspección

Pruebas para la determinación de corriente necesaria; mediante la inyección

de corriente a la estructura bajo estudio con auxilio de una fuente de corriente

continua y una cama de ánodos provisional. La intensidad requerida dividida

para área, permitirá obtener la densidad requerida para el cálculo.

2.6 Efectos de líneas de transmisión de energía de corriente alterna en alta tensión hacia tuberías enterradas Existen afectaciones a tuberías de acero que comparten derechos de vía con conductores

de corriente eléctrica alterna de alta tensión, soportados en torres y con recorridos de

kilómetros en paralelismo. Dichas afectaciones han sido evidenciadas por

manifestaciones de corrosión o por desperfectos en tuberías cuya protección anticorrosiva

sufrió daños, por corrientes inducidas o por alteraciones en la protección catódica de

éstas.

No existe una regla o norma para la regulación de límites de los efectos de inducción en

este tipo de problemas, por lo que se tiene que acordar un criterio límite para cada caso.

Las medidas de mitigación del problema, se toman de acuerdo con los criterios de

protección de personal, con los criterios de limitación de tensión inducida magnéticamente

en cualquier equipo y según la corriente disponible por inducción electrostática [9].



La manifestación de este tipo de problemas se ha relacionado principalmente con

alteraciones de las características aislantes en soportes de los brazos de las torres de

transmisión, durante eventos de descontrol por descargas eléctricas atmosféricas o por

fallas de cortocircuito entre fases de las líneas de conducción, originando la transmisión

de corriente hacia las bases de las torres y de éstas a las tuberías enterradas cercanas

[8].

La tensión inducida en los sistemas de transmisión, existe en una longitud considerable

del elemento receptor, por lo que se hace necesario el uso de procedimientos para la

reducción de estas tensiones a niveles aceptables. Aun en sistemas donde la tensión

inducida es despreciable, es necesario analizar tanto al sistema receptor como a la línea

de potencia en caso de que se pretendan realizar modificaciones en la construcción de las

mismas.

Existen diferentes tipos de interferencias en el medio ambiente electromagnético para el

caso de un ducto enterrado, estas interferencias comprenden las siguientes áreas:

Corrientes en los conductores de fase de la misma línea de transmisión

Corrientes de falla en la línea de transmisión

Inyección de corrientes en el tubo que resultan de fallas a tierra de las líneas de

transmisión cercanas a la tubería

2.6.1 Interferencias por corrientes alternas Se presenta cuando existen tuberías próximas a las líneas de transmisión de alta tensión

y sistemas de distribución.

Se crea un campo magnético por el flujo de corriente alternante

Cualquier objeto metálico sujeto a un campo electromagnético alterno exhibirá una

tensión inducida, así como fallas en los conductores de potencia a la tierra pueden

causar altas corrientes en las estructuras enterradas

Formas de inducción de corrientes y tensiones con corriente alterna:

Inducción electrostática o capacitiva, donde la estructura actúa como un lado del

capacitor con respecto a la tierra. Esta es importante únicamente cuando la

estructura es aérea.

Acople resistivo o conductivo, donde la potencia es transmitida a la tierra y luego

fluye sobre y fuera de la estructura enterrada.

Inducción electromagnética o inductiva, donde la estructura actúa como un simple

giro secundario de un transformador de núcleo de aire en la cual la línea de poder

aérea es la primaria. Este tipo de inducción podría ocurrir cuando la estructura es

tanto aérea como bajo tierra.



Cuando una línea de alta tensión transporta una carga de corriente eléctrica, se produce

un campo magnético alrededor de los cables el cual se acopla a las tuberías que fluyen

paralelas causando una tensión y una corriente alternante inducida [9].

La tensión se induce a un ducto por conductores eléctricos aéreos en estrecha

proximidad. La influencia eléctrica ejercida por una línea de potencia en una tubería, varía

de acuerdo con las características eléctricas y la geometría de cada sistema individual. La

tensión inducida en un oleoducto o cualquier ducto con materiales inflamables supone un

peligro en lugar de una preocupación por la corrosión.

En donde exista una tubería recubierta, eléctricamente continua y paralela a un sistema

de transmisión de corriente alterna, por largos espacios (usualmente medido en

kilómetros), existe una inducción de tensión en la tubería.

Si una tubería esta lo suficientemente cerca y paralela a la línea de transmisión eléctrica,

el campo electromagnético “penetrará” la tubería en ángulos rectos, la magnitud de

corriente parásita resultante es directamente proporcional a la fase de la corriente y de

magnitudes relativas como a la longitud de exposición mutua; y es inversamente

proporcional a la distancia relativa entre la estructura y los conductores de la línea de

potencia. La tubería actúa como un simple giro secundario de un transformador de núcleo

de aire, y las líneas de transmisión de corriente alterna aéreas son primarias.

Las corrientes debidas a interferencias de corriente alterna pueden ser fácilmente

identificadas mediante la medición de potenciales de tensión de la estructura con respecto

a la tierra. El electrodo de referencia usado para mediciones de protección catódica puede

ser usado como contacto a tierra, no obstante la norma NACE RP0177-92, en su

apartado de control de corrosión externa en los sistemas de tuberías metálicas Enterradas

o sumergidas recomienda que se realice con una varilla metálica como referencia. [10]

Los principales factores que influyen en la tensión inducida son:

La resistencia del recubrimiento de la tubería, fuerza o dureza dieléctrica y calidad.

La resistencia longitudinal de la tubería.

La longitud a la cual se encuentra paralela el sistema eléctrico de transmisión y la

tubería.

CAPÍTULO III

““MMOODDEELLAADDOO YY SSIIMMUULLAACCIIÓÓNN

DDEE LLAA IINNDDUUCCCCIIÓÓNN

MMAAGGNNÉÉTTIICCAA EENN DDUUCCTTOOSS

MMEETTÁÁLLIICCOOSS””

En este capítulo se simula y se analiza el efecto de líneas de transmisión de 230 kV y 400 kV sobre los ductos metálicos que comparten el mismo derecho de vía. Los niveles de tensión inducida en los ductos se obtienen partiendo de la consideración de cuatro casos de operación distintos (condiciones normales, falla trifásica, falla bifásica y falla monofásica).


Capítulo 3. Modelado y simulación de la inducción magnética en ductos metálicos 20

3.1 Simulación de las líneas de transmisión utilizando el

programa ATP

El ATP (Alternative Transient Program) fue originalmente diseñado para el cálculo de

procesos transitorios en sistemas eléctricos de potencia, además es usado para producir

gráficas de onda de tensión y corriente para diferentes tipos de fallas.

En este capítulo, se realizan simulaciones utilizando para líneas de transmisión de 230 kV

y 400 kV; para ambos casos se emplean algunos datos similares tanto en las líneas de

transmisión como en los ductos metálicos subterráneos, estos datos se mencionan a

continuación.

Los datos de la línea para la simulación son:

La longitud de la línea a ser simulada = 100 km

La longitud del tiempo de simulación (tiempo máximo) = 50 ms

Los pasos de tiempo (pasos de integración) = 1 µs

Los datos de la línea de transmisión se presentarán dependiendo de cada simulación ya

que se realizará en líneas de transmisión de 230 kV y 400 kV.

Los datos de la tubería para la simulación son:

Resistencia del aislamiento = 833,000 Ω/m

Diámetro externo = 0.4064 m

Diámetro interno = 0.39923 m

Espesor = 0.00717 m

Enterrado a = 0.5 m

Se debe tomar en cuenta que, como la distancia vertical de la torre, se considera la altura

total de la torre de transmisión más la profundidad a la cual se encuentra enterrado el

ducto metálico, esta técnica para calcular la tensión inducida entre la torre y el ducto, fue

comprobada por Ghada M. Amer, la cual se realizó comparando los resultados de un caso

similar al presentado en este capítulo en ATP con cálculos realizados en Matlab para

estudiar los efectos de varios datos de la tensión inducida. De esta comparación se

mostraron resultados muy similares, por lo que esta técnica fue aceptada para realizar la

simulación de ductos subterráneos considerando tanto casos de operación normal como

diferentes casos de corto circuito [11].

Cabe mencionar que se considera también que el control de la corrosión externa en

ductos metálicos enterrados o sumergidos está regulado por la norma oficial mexicana

NOM-008-SECRE-1999 (5.9.2), que establece que para mitigar los efectos mutuos entre

las líneas de transmisión eléctrica y los ductos metálicos enterrados, la separación entre

la pata de la torre y el ducto debe ser mayor de 15 metros para líneas de transmisión de

400 kV, y mayor de 10 metros para líneas de transmisión de 230 kV o menores; cuando

no sea posible lograr las distancias mínimas recomendadas, se debe reforzar el



recubrimiento del ducto donde sea necesario y, por ningún motivo, la distancia debe ser

menor a 3 metros respecto de la pata de la línea de transmisión.[12]

Como se ha mencionado en el presente trabajo de tesis, las simulaciones se realizan para

torres de 230 y 400 kV; en el siguiente apartado se muestran las simulaciones para una

torre de transmisión autosoportada de 230 kV (dos circuitos).

3.2 Torre de transmisión autosoportada tipo 2R2 de 230 kV (dos circuitos)

Se considera una torre de transmisión de 230 kV de dos circuitos, utilizando las

dimensiones de la torre que se presenta en la figura 3.1, además de una longitud de línea

de 100 km. El conductor utilizado para esta línea es el de calibre 900 kCM, ACSR

(Canary). Los datos de este conductor se observan en el anexo B.

Figura 3.1.Torre de transmisión autosoportada tipo 2R2 de 230 kV (dos circuitos)



La acotación de la figura 3.1 está realizada en metros. Los diámetros de la tubería se han

mencionado con anterioridad, por lo cual en la figura se muestra gráficamente el lugar

donde se considera enterrado el ducto.

Las medidas de la torre de transmisión se utilizan como datos en el programa ATP.

3.2.1 Datos de la línea a ser simulada

En el programa ATP, para realizar la simulación de la torre de transmisión deben elegirse algunas condiciones para la operación más adecuada de la torre de transmisión, tal como se muestra en la figura 3.2; además, en la figura 3.3 se muestran las distancias consideradas entre la torre de transmisión y el ducto, utilizando la técnica mencionada anteriormente, en la cual a la altura de la torre, se le suma la distancia a la que está enterrada el ducto.

Figura 3.2. Datos de la torre de transmisión de 230 kV



Figura 3.3. Distancias de la torre de transmisión de 230 kV

Continuando con los valores empleados para la realización de la simulación, hay que obtener el valor de tensión para la fuente, ya que se trabaja con el valor pico de la tensión, es decir:

𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 = 𝑉𝑅𝑀𝑆 2 = 230𝑘𝑉 2

3= 187794.3 𝑉…………………………....3.1

Este valor se utiliza en la fuente de tensión del programa ATP, la cual se muestra en la figura 3.4.

Figura 3.4. Datos de la fuente de tensión

En esta simulación, se consideran como condiciones iniciales que uno de los dos circuitos esta desenergizado, pero el interruptor se cierra en t=0.01 s, en el caso del otro circuito, el



interruptor siempre se mantiene cerrado. Para lograr esto, se utilizó un interruptor de tensión controlada, considerando las características mostradas en la figura 3.5.

Figura 3.5. Valores del interruptor de tensión controlada

Conociendo los datos a ser utilizados en la simulación de una torre de transmisión de 230

kV, se realiza la simulación y el análisis del efecto de líneas de transmisión sobre los

ductos metálicos que comparten el mismo derecho de vía. Se obtendrán los niveles de

tensión inducida en los ductos considerando cuatro casos:

Condiciones normales de operación

Falla trifásica

Falla bifásica

Falla monofásica

La realización de estas simulaciones permitirá determinar en cuál de los casos ya

mencionados se tienen las mayores inducciones de tensión y posteriormente, proponer y

analizar estrategias para la protección de los ductos.

A continuación se presentan las simulaciones de los cuatro casos mencionados con

anterioridad.

3.2.2 Caso 1. Torre de transmisión de 230 kV en condiciones normales de

operación

En este caso se realiza la simulación de una línea de transmisión de 230 kV,

considerando que esta se encuentra operando en condiciones normales. Para realizar

esta simulación en el programa ATP, los elementos que ya se han mencionado con

anterioridad, se colocan como se presenta en la figura 3.6.



Figura 3.6. Torre de transmisión de 230 kV en paralelo con un ducto subterráneo, operando en

condiciones normales.

En la figura 3.7 se presenta una gráfica de la tensión en la línea trifásica considerando

que esta se encuentra en condiciones normales de operación; cabe mencionar que, tanto

en el nodo emisor como en el nodo receptor de la torre de transmisión, se tiene la misma

tensión, ya que no existe falla alguna que provoque alguna variación de tensión en los

nodos. Por lo anterior, resulta innecesario mostrar dos gráficas que contienen resultados

iguales.

Figura 3.7. Tensión en el nodo emisor y receptor de la línea de transmisión de 230 kV.

En la figura 3.8 muestra una gráfica de la tensión inducida en el ducto metálico

subterráneo, considerando que la línea de transmisión de 230 kV se encuentra operando

bajo condiciones normales. Esta tensión inducida es aproximadamente de 114 V de valor

pico.

(file 230sinfalla.pl4; x-var t) v:X0023A v:X0023B v:X0023C

0 10 20 30 40 50[ms]

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

[kV]



Figura 3.8. Tensión inducida en el ducto, considerando que la línea de 230 kV opera en


3.2.3 Caso 2. Torre de transmisión de 230 kV operando con una falla

trifásica


considerando que esta se encuentra operando bajo condiciones de falla trifásica. Para

realizar esta simulación en el programa ATP, los elementos que ya se han mencionado

con anterioridad, se colocan como se presenta en la figura 3.9. Es de suma importancia

considerar que la falla de cortocircuito trifásica, ocurre únicamente en uno de los dos

circuitos y dependiendo del circuito en el que se elija realizar la falla, las tensiones

variaran, esto sucede debido a que las distancias entre cada uno de los circuitos y el

ducto son distintas.


La figura 3.10 indica una gráfica que muestra la tensión en el lado emisor de la línea de

transmisión en condiciones de operación de falla trifásica, la cual ocurre a los 10 ms.

(file 230sinfalla.pl4; x-var t) v:XX0019

0 10 20 30 40 50[ms]

-120

-80

-40

0

40

80

120

[V]



Figura 3.10. Tensión en el nodo emisor de la línea de transmisión de 230 kV

La figura 3.11 considera una gráfica en la que conforme se incrementa la longitud de la

línea, la tensión en el nodo receptor va reduciéndose cada vez más.

Figura 3.11. Tensión en el nodo receptor de la línea de transmisión de 230 kV

En la figura 3.12 se muestra una gráfica con la tensión inducida en el ducto metálico

subterráneo, considerando que la línea de transmisión se encuentra operando bajo

condiciones de falla trifásica. Esta tensión inducida es de aproximadamente 113 V de

valor pico.

(file 230trifasico.pl4; x-var t) v:X0001A v:X0001B v:X0001C

0 10 20 30 40 50[ms]

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

[kV]


0 10 20 30 40 50[ms]

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

[kV]



Figura 3.12. Tensión inducida en el ducto, considerando la existencia de una falla trifásica en la línea de 230 kV


bifásica


considerando que esta se encuentra operando bajo condiciones de falla bifásica. Para


con anterioridad, se colocan como se presenta en la figura 3.13. Es importante considerar

que la falla de cortocircuito bifásica, que ocurre únicamente en uno de los dos circuitos, se

presenta entre las fases B y C.

Figura 3.13. Torre de transmisión de 230 kV, en paralelo con un ducto subterráneo, considerando

que existe una falla bifásica en las fases B y C

La figura 3.14 es una gráfica en la cual se presenta la tensión en el nodo emisor de la línea de transmisión operando en condiciones de falla bifásica, la cual ocurre a los 10 ms.

(file 230trifasico.pl4; x-var t) v:XX0019

0 10 20 30 40 50[ms]

-120

-80

-40

0

40

80

120

[V]




La figura 3.15 representa una gráfica donde el nodo receptor de la línea de transmisión,

la tensión en las fases dañadas va disminuyendo, al contrario de lo sucedido con la fase

sana, ya que la tensión en la misma alcanza un valor pico de aproximadamente 221 kV.


En la figura 3.16 se muestra una gráfica de la tensión inducida en el ducto metálico


(file 230bifasico.pl4; x-var t) v:X0001B v:X0001C v:X0001A

0 10 20 30 40 50[ms]

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

[kV]

(file 230bifasico.pl4; x-var t) v:X0023A v:X0023B v:X0023C

0 10 20 30 40 50[ms]

-250.0

-187.5

-125.0

-62.5

0.0

62.5

125.0

187.5

250.0

[kV]



condiciones de falla bifásica. Esta tensión inducida es de aproximadamente 152 V de

valor pico.

Figura 3.16. Tensión inducida en el ducto, considerando la existencia de una falla bifásica entre las

fases B y C


monofásica


considerando que esta se encuentra operando bajo condiciones de falla monofásica. Para


con anterioridad, se colocan como se presenta en la figura 3.17. Se debe considerar que

la falla de cortocircuito monofásica, que ocurre únicamente en uno de los dos circuitos, se

presenta en la fase A.


que existe una falla monofásica en la fase A.

(file 230bifasico.pl4; x-var t) v:XX0019

0 10 20 30 40 50[ms]

-120

-80

-40

0

40

80

120

160

[V]



La figura 3.18 trata de una gráfica de la tensión en el nodo emisor de la línea de

transmisión operando en condiciones de falla monofásica, la cual ocurre a los 10 ms.


La figura 3.19 indica por medio de una gráfica, que en el nodo receptor de la línea de

transmisión, la tensión en la fase dañada va disminuyendo, al contrario de lo sucedido con

las fases sanas, ya que la tensión en las mismas alcanza un valor pico de

aproximadamente 206 kV.


(file 230monofasico.pl4; x-var t) v:X0001A v:X0001B v:X0001C

0 10 20 30 40 50[ms]

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

[kV]


0 10 20 30 40 50[ms]

-250.0

-187.5

-125.0

-62.5

0.0

62.5

125.0

187.5

250.0

[kV]



En la figura 3.20 se muestra una gráfica sobre la tensión inducida en el ducto metálico


condiciones de falla monofásica. Esta tensión es de aproximadamente 216 V de valor pico.

Figura 3.20. Tensión inducida en el ducto, considerando la existencia de una falla monofásica en

la fase A

En el presente trabajo de tesis, se presentan a continuación las simulaciones para los

mismos cuatro casos, pero ahora considerando una torre de transmisión autosoportada

de 400 kV (un circuito).

(file 230monofasico.pl4; x-var t) v:XX0019

0 10 20 30 40 50[ms]

-200

-100

0

100

200

300

[V]



3.3 Torre de Transmisión autosoportada tipo A de 400 kV (un

circuito)

Se considera una torre de transmisión de 400 kV de un circuito, utilizando las dimensiones

de la torre que se presentan en la figura 3.21, además de una longitud de línea de 100

km. El conductor utilizado para esta línea es el de calibre 1113 kcm, ACSR (Blue Jay).

Los datos correspondientes al conductor se observan en el anexo B.

Figura 3.21. Torre de transmisión autosoportada tipo A de 400 kV (un circuito)

La acotación de la figura 3.21 está realizada en metros. Los diámetros de la tubería se

han mencionado con anterioridad, por lo cual en la figura se muestra gráficamente el lugar

donde se considera enterrado el ducto.

Las medidas de la torre de transmisión se utilizan como datos en el programa ATP.

3.3.1 Datos de la línea a ser simulada

En el programa ATP, para realizar la simulación de la torre de transmisión deben elegirse algunas condiciones para la operación más adecuada de la torre de transmisión, tal como se muestra en la figura 3.22; además, en la figura 3.23 se observan las distancias



consideradas entre la torre de transmisión y el ducto, utilizando la técnica mencionada anteriormente, en la que a la altura de la torre, se le suma la distancia a la que está enterrada el ducto.

Figura 3.22. Datos de la torre de transmisión de 400 kV

Figura 3.23.Distancias de la torre de transmisión de 400 kV

Continuando con los valores empleados para la realización de la simulación, hay que obtener el valor de tensión para la fuente, ya que se trabaja con el valor pico de la tensión, es decir:



𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 = 𝑉𝑅𝑀𝑆 2 = 400𝑘𝑉 2

3= 326598.77 𝑉……………………….3.2

Este valor se utilizó en la fuente de tensión del programa ATP, la cual se muestra en la figura 3.24.

Figura 3.24. Datos utilizados en la simulación de la fuente

En esta simulación, inicialmente, el circuito esta desenergizado pero el interruptor se cierra en t=0.01s. Para lograr esto, se utilizó un interruptor de tensión controlada,

considerando las características mostradas en la figura 3.25.

Figura 3.25. Valores considerados en el interruptor de tensión controlada

Conociendo los datos a utilizar en la simulación de una torre de transmisión de 400 kV, se

realiza la simulación y el análisis del efecto de líneas de transmisión sobre los ductos



metálicos que comparten el mismo derecho de vía. Se obtendrán los niveles de tensión

inducida en los ductos considerando cuatro distintos casos:

Condiciones normales de operación

Falla trifásica

Falla bifásica

Falla monofásica

La realización de estas simulaciones permitió determinar en cuál de los casos ya

mencionados se tienen las mayores inducciones de tensión y posteriormente, proponer y

analizar estrategias para la protección de los ductos.

En el presente trabajo de tesis, se presentan a continuación las simulaciones de los

cuatro casos ya mencionados con anterioridad para el caso de una línea de transmisión

de 400 kV.

3.3.2 Caso 1. Torre de transmisión de 400 kV en condiciones normales de

operación


considerando que esta se encuentra operando en condiciones normales. Para realizar

esta simulación en el programa ATP, los elementos que ya se han mencionado con

anterioridad, se colocan como se presenta en la figura 3.26.

Figura 3.26. Torre de transmisión de 400 kV en paralelo con un ducto subterráneo, operando en


En la figura 3.27 se presenta una gráfica de la tensión en la línea trifásica considerando

que esta se encuentra en condiciones normales de operación; cabe mencionar que, tanto

en el nodo emisor como en el nodo receptor de la torre de transmisión, se tiene la misma

tensión, ya que no existe falla alguna que provoque alguna variación de tensión en los

nodos. Por lo anterior, resulta innecesario mostrar dos gráficas que contienen resultados

iguales.



Figura 3.27. Tensión en el nodo emisor y receptor de la línea de transmisión de 400 kV

La figura 3.28 muestra una gráfica de la tensión inducida en el ducto metálico

subterráneo, considerando que la línea de transmisión de 400 kV se encuentra operando

bajo condiciones normales. Esta tensión inducida es aproximadamente de 209 V de valor

pico.

Figura 3.28. Tensión inducida en el ducto, considerando que la línea de 400 kV opera en


(file 400sinfalla.pl4; x-var t) v:X0009A v:X0009B v:X0009C

0 10 20 30 40 50[ms]

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

[kV]

(file 400sinfalla.pl4; x-var t) v:XX0011

0 10 20 30 40 50[ms]

-250.0

-187.5

-125.0

-62.5

0.0

62.5

125.0

187.5

250.0

[V]




trifásica


considerando que esta se encuentra operando bajo condiciones de falla trifásica. Para


con anterioridad, se colocan como se presenta en la figura 3.29.


En la figura 3.30 se entrega una gráfica de la tensión en el lado emisor de la línea de

transmisión en condiciones de operación de falla trifásica, la cual ocurre a los 10 ms.

Figura 3.30. Tensión en el nodo emisor de la línea de transmisión de 400 kV (file 400trifasico.pl4; x-var t) v:X0001A v:X0001B v:X0001C

0 10 20 30 40 50[ms]

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

[kV]



La figura 3.31 es una gráfica donde se observa que conforme se incrementa la longitud

de la línea, la tensión en el nodo receptor va reduciéndose cada vez más.


En la figura 3.32 se muestra una gráfica de la tensión inducida en el ducto metálico


condiciones de falla trifásica. Esta tensión inducida es de aproximadamente 301 V de

valor pico.

Figura 3.32. Tensión inducida en el ducto, considerando la existencia de una falla trifásica en la

línea de 400 kV


0 10 20 30 40 50[ms]

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

[kV]

(file 400trifasico.pl4; x-var t) v:XX0011

0 10 20 30 40 50[ms]

-350.0

-262.5

-175.0

-87.5

0.0

87.5

175.0

262.5

350.0

[V]




bifásica


considerando que esta se encuentra operando bajo condiciones de falla bifásica. Para


con anterioridad, se colocan como se presenta en la figura 3.33. Es importante considerar

que la falla de cortocircuito bifásica se presenta entre las fases A y C.


que existe una falla bifásica en las fases A y C.

En la figura 3.34 se presenta una gráfica de la tensión en el nodo emisor de la línea de transmisión operando en condiciones de falla bifásica, la cual ocurre a los 10 ms.


En la figura 3.35 se muestra una gráfica donde se observa que en el nodo receptor de la

línea de transmisión, la tensión en las fases dañadas va disminuyendo, al contrario de lo


0 10 20 30 40 50[ms]

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

[kV]



sucedido con la fase sana, ya que la tensión en la misma alcanza un valor pico de

aproximadamente 331 kV.


En la figura 3.36 se observa una gráfica sobre la tensión inducida en el ducto metálico


condiciones de falla bifásica. Esta tensión inducida es de aproximadamente 519 V de

valor pico.

Figura 3.36. Tensión inducida en el ducto, considerando la existencia de una falla bifásica entre las fases A y C


0 10 20 30 40 50[ms]

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

[kV]

(file 400bifasico.pl4; x-var t) v:XX0011

0 10 20 30 40 50[ms]

-800

-540

-280

-20

240

500

[V]




monofásica


considerando que esta se encuentra operando bajo condiciones de falla monofásica. Para


con anterioridad, se colocan como se presenta en la figura 3.37. Se debe considerar que

la falla de cortocircuito monofásica se presenta en la fase A.


que existe una falla monofásica en la fase A.

La figura 3.38 indica una gráfica de la tensión en el nodo emisor de la línea de

transmisión operando en condiciones de falla monofásica, la cual ocurre a los 10 ms.



0 10 20 30 40 50[ms]

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

[kV]



En la figura 3.39 se muestra una gráfica del nodo receptor de la línea de transmisión, la

tensión en la fase dañada va disminuyendo, al contrario de lo sucedido con las fases

sanas ya que la tensión en las mismas alcanza un valor pico de aproximadamente 410 kV.


En la figura 3.40 se presenta una gráfica de la tensión inducida en el ducto metálico


condiciones de falla monofásica. Esta tensión es de aproximadamente 606 V de valor pico.

Figura 3.40. Tensión inducida en el ducto, considerando la existencia de una falla monofásica en la fase A


0 10 20 30 40 50[ms]

-500

-375

-250

-125

0

125

250

375

500

[kV]

(file 400monofasico.pl4; x-var t) v:XX0011

0 10 20 30 40 50[ms]

-700

-525

-350

-175

0

175

350

525

700

[V]



3.4 Análisis de resultados de las tensiones inducidas en el ducto

metálico subterráneo en distintas condiciones de operación

En la tabla 3.1 se presentan los valores máximos de tensiones inducidas en el ducto

metálico subterráneo para cada uno de los cuatro casos analizados en los dos diferentes

tipos de torres analizadas (de 230 kV y 400 kV).

Tabla 3.1. Tensiones inducidas en el ducto metálico

Tensiones máximas inducidas en el ducto metálico subterráneo

Línea de

transmisión

Condiciones normales

(Vpico) [Volts]

Falla Trifásica

(Vpico) [Volts]

Falla Bifásica (Vpico) [Volts]

Falla monofásica

(Vpico) [Volts]

230 kV 114 113 152 216

400 kV 209 301 519 606

A continuación se presentan dos figuras en las cuales es más sencillo observar los

resultados obtenidos para su posterior análisis.

Figura 3.41. Tensiones en la línea de transmisión de 230 kV, considerando distintas condiciones

de operación

En la figura 3.41 se observa una gráfica que se ha realizado para facilitar la observación

de los resultados obtenidos en el punto 3.2, se considera que en el caso de una línea de

transmisión de 230 kV, donde la falla existe solamente en uno de los dos circuitos; cuando

el circuito a analizar se encuentra operando en condiciones de falla trifásica es la que da

como resultado la tensión inducida más baja de los casos de fallas a tierra presentados

(113 V), y que en el caso de la operación de la línea bajo condiciones de operación de

falla monofásica es el caso más severo de tensión inducida (216 V) como se muestra en


Falla trifásica

Falla bifásica

Falla monofásica

0

50

100

150

200

250

Línea de 230 kV



las gráficas. El hecho de que la tensión en condiciones normales de operación sea un

poco más alta que la tensión cuando ocurre una falla trifásica se debe únicamente al

circuito utilizado para hacer la simulación, ya que se utilizó el que está más cercano al

ducto, y no el del lado opuesto.

Figura 3.42. Tensiones en la línea de transmisión de 400 kV, considerando distintas condiciones

de operación

En la figura 3.42 se exhibe una gráfica que se ha realizado para facilitar la observación

de los resultados obtenidos en el punto 3.3, donde se considera que en el caso de una

línea de transmisión de 400 kV operando en condiciones de falla trifásica, es ésta la que

da como resultado la tensión inducida más baja de los casos de fallas a tierra presentados

(301 V), y que en el caso de la operación de la línea bajo condiciones de operación de

falla monofásica es el caso más severo de tensión inducida (606 V) como se observa en

las gráficas.

En conclusión, de acuerdo a lo observado en el presente capítulo, se obtiene que la falla

que causa mayores afectaciones en una línea de transmisión ya sea de 230 o 400 kV, es

la falla monofásica, siendo ésta la que ocurre con mayor frecuencia; por el contrario, la

falla que induce menor tensión en la línea de transmisión ya sea de 230 o 400 kV, es la

falla trifásica, cabe mencionar que esta última es la falla que ocurre con menor frecuencia

en las líneas de transmisión; por esta razón, la estrategia de solución para las tensiones

inducidas en los ductos metálicos subterráneos se simulará únicamente en los casos de

líneas de transmisión operando en condiciones normales y en condiciones de falla

monofásica.


Falla trifásica

Falla bifásica

Falla monofásica

0

100

200

300

400

500

600

700

Línea de 400kV

CAPÍTULO IV

““EESSTTRRAATTEEGGIIAA DDEE SSOOLLUUCCIIÓÓNN

PPAARRAA LLAASS TTEENNSSIIOONNEESS

IINNDDUUCCIIDDAASS EENN LLOOSS DDUUCCTTOOSS

MMEETTÁÁLLIICCOOSS SSUUBBTTEERRRRÁÁNNEEOOSS””

En este capítulo realizan simulaciones para analizar el efecto de líneas de transmisión de 230 kV y 400 kV sobre los ductos metálicos, cuando las líneas cuentan con un par de hilos de blindaje, se propone además la altura y separación de los hilos de blindaje más adecuadas. También se realiza la comparación de las tensiones considerando la existencia y la ausencia de los hilos de blindaje; se utilizan únicamente dos casos de operación (condiciones normales y falla monofásica).


Capítulo 4. Estrategia de solución para las tensiones inducidas en los ductos metálicos subterráneos 47

4.1 Introducción

Dado el riesgo de que una tensión inducida pueda afectar a los ductos metálicos en el

derecho de vía compartido con líneas de transmisión, en el caso de presentarse una falla

monofásica (que de acuerdo al análisis realizado en el capítulo anterior se considera a

ésta como la falla de cortocircuito más severa), se deben establecer distintas medidas de

disminución de la tensión para evitar que estas tensiones inducidas afecten de manera

permanente y peligrosa a los ductos metálicos subterráneos.

Existen distintas medidas de moderar la tensión, pero algunas de ellas son únicamente

para ductos y torres de transmisión en construcción o en proceso de diseño, además, es

importante hacer mención de que los nuevos métodos que existen para establecer dichas

medidas de disminución, se proponen únicamente para líneas de transmisión

subterráneas, es decir, que pasan por debajo del ducto metálico; por lo cual no resultan

ser la mejor solución existente para proteger los ductos metálicos que comparten el

derecho de vía con líneas de transmisión aéreas.

4.2 Medidas de disminución de tensión

Algunas de las medidas de moderación más utilizadas son las siguientes:

El sistema de transmisión eléctrica debe de contar con la suficiente

instrumentación de protecciones que vigilen el comportamiento de desbalances,

sobrecargas, etc., de sus fases, que permita aseverar la minimización de

posibilidades de fallas monofásicas en el área de afectación del derecho de vía

compartido.

Los conductores deben de contar con una protección, que permita asegurar un

resguardo de la integridad mecánica de los mismos y una barrera adicional a los

posibles efectos de una tensión inducida por falla monofásica, para dicha

protección se recomienda la utilización de tubería de polietileno de alta densidad.

La tubería de polietileno que aloje los conductores eléctricos deberá de estar

identificada a lo largo de su pared exterior, que advierta la presencia de líneas de

alta tensión en su interior. Esta medida se utiliza principalmente para una línea de

transmisión subterránea.

4.3 Estrategia de solución

Los conductores a utilizar en una línea de transmisión aérea, no cuentan con una pantalla

sobre el aislamiento conectada a tierra (como en el caso de las líneas subterráneas); el

hecho de que esto ocurriera, equivaldría al cambio de conductores de líneas de

transmisión aéreas; pero esto no sucede ya que no se ha considerado desde el diseño de

las líneas de transmisión, el hecho de compartir el derecho de vía con ductos metálicos y

por esta razón las líneas de transmisión no cuentan con ninguna medida de moderación.



Por esta razón, al advertir que los conductores deben de contar con una protección que

permita asegurar un resguardo de la integridad mecánica tanto de éstos como del ducto

metálico con el cual comparte derecho de vía, y considerando que se debe proteger una

línea de transmisión que no fue diseñada con el propósito de compartir su derecho de vía,

se ha considerado la opción de agregar a la línea de transmisión un par de hilos de

blindaje, estos hilos de blindaje pueden utilizarse también en ductos expuestos, siendo en

estos últimos donde ha existido mayor utilización de esta medida. Ya que actualmente la

instalación de ductos expuestos no se realiza con regularidad, todas las medidas y

normas realizadas se hacen en base a los ductos metálicos subterráneos.

Los principios de la utilización de los hilos de blindaje para la línea de transmisión, son los

mismos que para la protección de ductos expuestos, la diferencia radica en que para los

ductos expuestos, el uso de los hilos de blindaje se realiza como protección anticorrosiva;

en cambio, con ésta propuesta de utilización, los hilos de blindaje, ayudarán a que a los

ductos metálicos subterráneos, llegue una menor tensión inducida en comparación con la

que obtienen de las líneas de transmisión no protegidas por este medio.

El objetivo de que el ducto metálico reciba una menor tensión inducida es brindar mayor

seguridad a la protección catódica del mismo, para evitar que el electrodo de sacrificio

sufra daños irreversibles y deje, al menos por un tiempo, al ducto sin protección.

En la tabla 4.1 se muestran las características de este conductor de cobre utilizado como

hilo de blindaje.

Tabla 4.1. Características del conductor de cobre desnudo

HILOS DE GUARDA

Sección transversal del conductor 253 mm2

Resistividad relativa (cobre) 6

La elección de este conductor se realizo en base a la consideración de que el cobre tiene

alta conductividad, ductibilidad y resistencia mecánica; además de ser altamente

resistente a la corrosión en ambientes salobres o contaminados, lo cual resulta adecuado

para la aplicación que se le da, ya que no siempre las condiciones del lugar donde existe

el derecho de vía compartido entre ductos metálicos y líneas de transmisión, es el más

apropiado.

4.4 Torre de Transmisión autosoportada tipo 2R2 de 230 kV (dos

circuitos)

Se propondrá la altura y separación entre hilos de blindaje más apropiados para lograr

una protección del ducto metálico más eficiente. Posteriormente, al tener esos datos, se



realizará una comparación entre la tensión inducida en el ducto cuando la línea de

transmisión no tiene hilos de blindaje y cuando se le colocan, estas comparaciones se

realizarán únicamente en condiciones normales de operación y cuando se presenta una

falla monofásica, ya que este caso es el más severo en cuanto a daño se refiere.

4.4.1 Prueba para encontrar la altura más apropiada de los hilos de blindaje

de una torre de transmisión de 230 kV

En la figura 4.1 se observa un comparativo de las tensiones inducidas en el ducto cuando

se le colocan un par de hilos de blindaje justo debajo de las fases A y C.

Figura 4.1. Alturas de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 230 kV

En base a lo observado en la figura 4.1 se tiene que la altura máxima a la cual se debe

colocar el hilo de blindaje es de 22.27 m, con el fin de mantener una distancia segura con

respecto a los conductores energizados.

En el caso de la altura de 22.27 m, la tensión máxima inducida fue de 61 V y para el caso

de la altura de 13.27 m, la tensión máxima inducida fue de 74 V, por lo cual, mientras más

cerca se encuentre el hilo de blindaje de la línea de transmisión, la tensión inducida

disminuirá, esto se muestra en la tabla 4.2. Se debe considerar que una línea de

transmisión sin hilos de blindaje operando en condiciones normales, induce una tensión

en el ducto de 114 V.



Tabla 4.2. Valores de la tensión máxima inducida a distintas alturas de los hilos de blindaje en una

torre de transmisión de 230 kV

Altura

[Vpico] Con blindaje

[Volts]

[Vpico] Sin blindaje

[Volts]

22.27 m

61

114

13.27 m

74

114

Al observar la figura 4.2, por medio de la gráfica se comprueba que el ducto metálico

tiene menor tensión inducida cuando la altura de los hilos de blindaje es de 22.27 m.

Figura 4.2. Gráfica de comparación de Vpico para elegir la altura más adecuada de los hilos de

blindaje en una torre de transmisión de 230 kV

4.3.2 Prueba para encontrar la separación más apropiada de los hilos de


En la figura 4.3 se muestra un comparativo de las tensiones inducidas en el ducto cuando

se le colocan un par de hilos de blindaje justo debajo de las líneas

Blindaje a 22.27m

Blindaje a 13.27m

Sin blindaje

0

20

40

60

80

100

120

Vpico



Figura 4.3. Separación de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 230 kV

De acuerdo a la figura 4.3, la separación más adecuada a la cual se van a colocar los

hilos de blindaje es de 5.2 m, por lo cual, la búsqueda de la separación más adecuada

entre los hilos de blindaje se realizó a la altura más apropiada que ya fue designada como

de 22.27 m. La separación de los hilos de blindaje no será exactamente para que los hilos

queden justo debajo de las líneas, la separación de 5.2 m, indica que los hilos de blindaje

se encuentran colocados 1 m por fuera de la línea y la separación de 3.2 m, que los hilos

de blindaje están colocados 1 m hacia dentro de la línea de transmisión.

En el caso de separación de 5.2 m, la tensión máxima inducida fue de 61 V y para el caso

de la separación de 3.2 m, la tensión máxima inducida fue de 62 V, por lo cual, es mejor

tener mayor separación entre los hilos de blindaje para reducir más la tensión inducida en

los ductos tal como se muestra en la tabla 4.3. Se considera que una línea de transmisión

sin hilos de blindaje operando en condiciones normales, induce una tensión en el ducto de

114 V.

Tabla 4.3. Valores de la tensión máxima inducida a distintas separaciones de los hilos de blindaje

en una torre de transmisión de 230 kV

Separación


[Volts]


[Volts]

5.2 m 61 114

3.2 m 62 114



De acuerdo a la figura 4.4, se observa una gráfica que comprueba que el ducto metálico

tiene menor tensión inducida cuando la separación de los hilos de blindaje es de 5.2 m.

Figura 4.4. Gráfica de comparación de Vpico para elegir la separación más adecuada de los hilos de


4.4.3 Comparación en dos condiciones distintas de operación de la línea de

transmisión de 230 kV

Se realizará la comparación de las tensiones inducidas en el ducto metálico subterráneo,

considerando que las líneas de transmisión cuenten con los hilos de blindaje o que no

cuenten con ellos; esta comparación se hará en dos condiciones distintas de operación:


Falla monofásica (la falla de cortocircuito más severa)

CONDICIONES NORMALES DE OPERACIÓN

En este apartado del presente trabajo de tesis, se realizó un comparativo entre una línea

de transmisión sin hilos de blindaje considerando que se encuentra en condiciones

normales de operación y una línea de transmisión que sí utiliza hilos de blindaje, los

cuales están colocados en una posición más adecuada; esta línea también se encuentra

operando en condiciones normales.


la línea de transmisión tiene instalados los hilos de blindaje en las posiciones más

adecuadas y cuando la línea de transmisión no cuenta con estos hilos de blindaje.

Separación de 5.2m

Separación de 3.2m

Sin blindaje

0

20

40

60

80

100

120

Vpico



Figura 4.5. Comparación de una línea con hilos de blindaje y una línea sin hilos de blindaje

considerando condiciones normales de operación

En el caso de contar con los hilos de blindaje, la tensión máxima inducida que se muestra

en la tabla 4.4 es de 100 V y en caso de no contar con ellos, es de 114 V, por lo cual, es

mejor tener los hilos de blindaje para reducir la tensión inducida en los ductos.

Tabla 4.4. Valores de la comparación de la tensión máxima inducida en el ducto considerando

condiciones normales de operación


[Volts]


[Volts]

61 114

En la figura 4.6, se tiene una gráfica en la cual se observa que el ducto metálico tiene

menor tensión inducida cuando se le colocan hilos de blindaje a la línea de transmisión.



Figura 4.6. Gráfica de comparación de Vpico considerando una línea de transmisión operando en

condiciones normales

FALLA MONOFÁSICA

En el actual apartado, del presente trabajo de tesis se realizó un comparativo entre una

línea de transmisión sin hilos de blindaje considerando que se encuentra en condiciones

de falla de cortocircuito monofásica y una línea de transmisión que utiliza hilos de blindaje

que están colocados en una posición más adecuada; esta línea también se encuentra

operando en condiciones de falla monofásica.

En la figura 4.8 se presenta un comparativo de las tensiones inducidas en el ducto

cuando la línea de transmisión tiene instalados los hilos de blindaje en las posiciones más


Cabe recalcar que la comparación se está realizando en el caso de tener una falla

monofásica en la línea de transmisión de 230kV, en ambos casos, teniendo colocados los

hilos de blindaje y sin contar con ellos.

Condiciones normales con hilos de blindaje

Condiciones normales sin hilos de blindaje

0

20

40

60

80

100

120

Vpico



Figura 4.7. Comparación de una línea con hilos de blindaje y una línea sin hilos de blindaje en

condiciones de falla monofásica

En el caso de contar con los hilos de blindaje, la tensión máxima inducida fue de 155 V y

en caso de no contar con ellos, la tensión máxima inducida fue de 216 V, por lo cual, es

mejor contar con los hilos de blindaje para reducir la tensión inducida en los ductos. Esto

se muestra en la tabla 4.5.

Tabla 4.5. Valores de la comparación de la tensión máxima inducida en el ducto en condiciones de

falla monofásica


[Volts]


[Volts]

155 216

En la figura 4.8 se muestra en una gráfica, que el ducto metálico tiene menor tensión

inducida cuando se le colocan hilos de blindaje en la línea de transmisión.





4.5 Torre de transmisión autosoportada tipo A de 400 kV (un

circuito)

Se propondrá la altura y separación entre hilos de blindaje más apropiados para lograr

una protección del ducto metálico más eficiente. Posteriormente, al tener esos datos, se

realizará una comparación entre la tensión inducida en el ducto cuando la línea de

transmisión no tiene hilos de blindaje y cuando se le colocan, estas comparaciones se

realizarán únicamente en condiciones normales de operación y cuando se presenta una

falla monofásica, ya que este caso es el más severo en cuanto a daño se refiere.

4.5.1 Prueba para encontrar la altura más apropiada de los hilos de blindaje

de una torre de transmisión de 400 kV


se le colocan un par de hilos de blindaje justo debajo de las líneas, la altura máxima a la

cual se debe colocar el hilo de blindaje es de 21 m, con el fin de mantener una distancia

segura con respecto a los conductores energizados.

Falla monofásica con blindaje

Falla monofásica sin blindaje

0

50

100

150

200

250

Vpico



Figura 4.9. Alturas de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 400 kV

En la tabla 4.6 se muestra que en el caso de la altura de 21 m, la tensión máxima

inducida fue de 161 V y para el caso de la altura de 10 m, la tensión máxima inducida fue

de 173 V, por lo cual, mientras más cerca se encuentre el hilo de blindaje de la línea, la

tensión inducida disminuirá.

Tabla 4.6. Valores de la tensión máxima inducida a distintas alturas de los hilos de blindaje en una

torre de transmisión de 400 kV

Altura


[Volts]


[Volts]

21 m 161 209

10 m 173 209

En la figura 4.10 se observa una gráfica donde se observa que el ducto metálico tiene

menor tensión inducida cuando la altura de los hilos de blindaje es de 21 m.



Figura 4.10. Gráfica de comparación de Vpico para elegir la altura más adecuada de los hilos de


4.5.2 Prueba para encontrar la separación más apropiada de los hilos de

blindaje de una torre de transmisión de 400 kV

En la figura 4.11 se presenta un comparativo de las tensiones inducidas en el ducto

cuando se le colocan un par de hilos de blindaje justo debajo de las líneas.

Figura 4.11. Separación de los hilos de blindaje en una torre de transmisión de 400 kV

Blindaje a 21m

Blindaje a 10m

Sin blindaje

0

50

100

150

200

250

Vpico



De acuerdo con la figura 4.11, la altura máxima a la cual se va a colocar el hilo de

blindaje es de 21 m, esto debido a los resultados obtenidos en la figura 4.10, por lo cual,

la búsqueda de la separación más adecuada entre los hilos de blindaje se realizó a esta

altura. La separación de los hilos de blindaje no será exactamente para que los hilos

queden justo debajo de las líneas, la separación de 12.47 m, indica que los hilos de

blindaje se encuentran colocados 1 m por fuera de la línea y la separación de 10.47 m,

que los hilos de blindaje están colocados 1 m hacia dentro de la línea de transmisión.

En el caso de separación de 12.47 m, la tensión máxima inducida es de 157 V y para el

caso de la separación de 10.47 m, de 165 V, por lo cual, es mejor tener mayor separación

entre los hilos de blindaje para reducir más la tensión inducida en los ductos. Esto se

muestra en la tabla 4.7.

Tabla 4.7. Valores de la tensión máxima inducida a distintas separaciones de los hilos de blindaje

en una torre de transmisión de 400 kV

Separación


[Volts]


[Volts]

12.47 m 157 209

10.47 m 165 209

En la figura 4.12 se tiene una gráfica que muestra que el ducto metálico tiene menor

tensión inducida cuando la separación de los hilos de blindaje es de 12.47 m.

Figura 4.12. Gráfica de comparación de Vpico para elegir la separación más adecuada de los hilos

de blindaje en una torre de transmisión de 400 kV

Separación de 12.47m

Separación de 10.47m

Sin blindaje

0

50

100

150

200

250

Vpico



4.5.3 Comparación en dos condiciones distintas de operación de la línea de

transmisión de 400 kV

Se realizará la comparación de las tensiones inducidas en el ducto metálico subterráneo,

considerando que las líneas de transmisión cuenten con los hilos de blindaje o que no

cuenten con ellos; esta comparación se hará en dos condiciones distintas de operación:


Falla monofásica (la falla de cortocircuito más severa)

CONDICIONES NORMALES DE OPERACIÓN

En éste apartado del presente trabajo de tesis, se realizó un comparativo entre una línea

de transmisión sin hilos de blindaje considerando que se encuentra en condiciones

normales de operación y una línea de transmisión que utiliza hilos de blindaje que están

colocados en una posición más adecuada; esta línea también se encuentra operando en


En la figura 4.13 se observa un comparativo de las tensiones inducidas en el ducto



Figura 4.13. Comparación de una línea con hilos de blindaje y una línea sin hilos de blindaje

considerando condiciones normales de operación



En caso de contar con los hilos de blindaje, la tensión máxima inducida es de 269 V y en

caso de no contar con los ellos, es de 361 V, por lo cual, es mejor tener los hilos de

blindaje para reducir la tensión inducida en los ductos. Esto se muestra en la tabla 4.8.

Tabla 4.8. Valores de la comparación de la tensión máxima inducida en el ducto considerando

condiciones normales de operación


[Volts]


[Volts]

157 209

En la figura 4.14 se muestra una gráfica donde se observa que el ducto metálico tiene



condiciones normales

FALLA MONOFÁSICA

En el actual apartado del presente trabajo de tesis, se realizó un comparativo entre una

línea de transmisión sin hilos de blindaje considerando que se encuentra en condiciones

de falla monofásica y una línea de transmisión que utiliza hilos de blindaje que están

colocados en una posición más adecuada; esta línea también se encuentra operando en

condiciones de falla monofásica.

En la figura 4.15 se muestra un comparativo de las tensiones inducidas en el ducto


adecuadas y cuando la línea de transmisión no cuenta con estos hilos de blindaje. Se

Condiciones normales con hilos de blindaje

Condiciones normales sin hilos de blindaje

0

50

100

150

200

250

Vpico



debe considerar que las condiciones de operación de la línea de transmisión son de falla

monofásica.

Figura 4.15. Comparación de una línea con hilos de blindaje y una línea sin hilos de blindaje en


En el caso de tener los hilos de blindaje, la tensión máxima inducida fue de 478 V y para

el caso contrario fue de 606 V, por lo cual, es mejor contar con los hilos de blindaje para

reducir la tensión inducida en los ductos. Esto se muestra en la tabla 4.9.

Tabla 4.9. Valores de la comparación de la tensión máxima inducida en el ducto


[Volts]


[Volts]

478 606

La figura 4.16, presenta una gráfica en la cual se señala que el ducto metálico tiene






4.6 Análisis de resultados de la medida de mitigación propuesta

De acuerdo a los resultados obtenidos en los diferentes casos de comparación

presentados en este capítulo, en los dos tipos de torres que se utilizan, la disminución de

la tensión inducida es muy considerable cuando se utilizan los hilos de blindaje como

medida de mitigación, lo cual provee de mayor seguridad a la protección catódica del

ducto; con esto es mucho más sencilla la prevención de un accidente en el ducto

metálico.

En base a los resultados obtenidos, es importante agregar que también concordaron los

resultados de ambas torres de transmisión en que los hilos de blindaje deben tener una

buena separación entre ellos y la altura más adecuada para su colocación, es la más

cercana a las líneas.

En la tabla 4.10 se resumen los valores más adecuados de altura y distancia entre

conductores de blindaje para las dos líneas.

Tabla 4.10. Instalación más adecuada de conductores de blindaje

Línea Altura [m] Distancia horizontal [m]

230 kV 22.27 5.2

400 kV 21 12.47

Falla monofásica con blindaje

Falla monofásica sin blindaje

0

200

400

600

800

Vpico



De acuerdo a los resultados obtenidos en los diferentes casos de comparación

presentados en este capítulo y considerando los valores de la tabla 4.10, a continuación

se muestran dos imágenes en las cuales se presenta gráficamente la distancia de los

conductores de blindaje que se proponen como estrategia de solución para las tensiones

inducidas en los ductos metálicos subterráneos.

Figura 4.17.Torre de transmisión autosoportada tipo 2R2 de 230 kV (dos circuitos) con un

conductor de blindaje a la altura y distancia horizontal más adecuadas



Figura 4.18. Torre de transmisión autosoportada tipo A de 400 kV (un circuito) con un conductor de

blindaje a la altura y distancia horizontal más adecuadas

Es importante mencionar que no consideramos el tipo de sujeción de la torre ya que esto

implica una investigación mas profunda y compleja, y por cuestiones de tiempo,

únicamente hemos avocado nuestra atención a las distancias más adecuadas para la

colocación de los conductores de blindaje.

CAPÍTULO V

““CCOONNCCLLUUSSIIOONNEESS””

En este capítulo se hace mención de los distintos tipos de fallas de cortocircuito consideradas en la realización de este trabajo, además de mencionar las medidas de moderación de tensión pertinentes para evitar un daño severo o permanente a un ducto metálico subterráneo.


Capítulo 5. Conclusiones 67

5.1 Conclusiones

De acuerdo al análisis realizado en los capítulos anteriores, se observa que la falla

monofásica (falla de línea a tierra) es el caso en el que existe mayor riesgo de afectación

a un ducto y a su protección catódica, considerando que esta tensión inducida aumentará

o disminuirá dependiendo de la fase en la cual hubiese ocurrido la falla, se debe

considerar también que este tipo de falla es el que ocurre con mayor frecuencia por lo

cual se uso para la propuesta de la utilización de hilos de blindaje como medida de

disminución de la tensión.

Se observó además que la falla trifásica es la que produce una menor tensión inducida,

considerando que este tipo de falla no es muy frecuente, la propuesta de solución se

presentó únicamente con los casos de falla monofásica y con una línea operando en


Ya que se consideraron cuatro casos distintos de operación, en dos tipos de torres de

transmisión distintos, los resultados obtenidos fueron los siguientes:

Para una línea de transmisión de 230 kV, considerando que todos los valores de

tensión presentados son los valores pico, se tiene:

Condiciones normales de operación: 193 V

Falla trifásica: 188 V

Falla bifásica: 271 V

Falla monofásica: 373 V

Para una línea de transmisión de 400 kV, considerando que todos los valores de

tensión presentados son los valores pico, se tiene:


Falla trifásica: 512 V

Falla bifásica: 748 V


Al utilizar la medida de disminución propuesta en este trabajo, las tensiones inducidas

reducen de manera considerable en ambos casos, tanto en condiciones normales de

operación de la línea de transmisión como en condiciones de falla monofásica.

Para una línea de transmisión de 230 kV, considerando la utilización de las líneas

de transmisión se tiene:



Para una línea de transmisión de 400 kV, considerando la utilización de las líneas

de transmisión se tiene:




Capítulo 5. Conclusiones 68

5.2 Recomendaciones para trabajos futuros

Uno de los trabajos de investigación que puede realizarse utilizando como base el

presente proyecto de tesis, es el análisis de la inducción electromagnética

producida por descargas atmosféricas directamente sobre la estructura metálica

de la torre de transmisión.

5.3 Comparación con otros trabajos

Es muy complicado realizar una comparación del presente trabajo de tesis con

otros trabajos de investigación, ya que, los trabajos que se han realizado con

respecto a este tema han sido con tensiones distintas a las presentadas en las

torres que se utilizaron para este trabajo, además de que no se estandarizan

algunos valores como se realizo en esta investigación.


Referencias 69

REFERENCIAS [1] Manual Standard del Ingeniero Electricista, Sección 13, Transporte de Energía. [2] Especificación de diseño de líneas de transmisión aéreas CFE-J1000-50-1994 [3] Fundamentos de Ingeniería Eléctrica: Electrotecnia. Muñoz Gaona, G. Domingo. México, IPN.

[4] Induccionmagnetica.ppt, A. Tuesta B.

[5] Campos electromagnéticos producidos por líneas de transmisión y la compatibilidad

electromagnética en derechos de vía compartidos. Hugo Pérez Rebolledo, Moisés

Zavala Silva y Arturo Galván Diego. Boletín IIE, julio-agosto 1998

[6] Fontana, Greene, Corrosion Engineering, New York, Mc Graw (1967).

[7] Hing, R.; Matos, R., Introducción a la corrosión y protección de metales, La Habana,

Ediciones ENPES (1987).

[8] Sistemas De Protección Catódica. Elizabeth García. Universidad de Sonora. México.

[9] Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia, William D., Stevenson Jr. (1999)

[10] NACE Standard RP0177, Mitigation of Alternating Current and Lighting Effects on

Metalic Structures and Corrosion Control Systems

[11] Effect of Dry Zone Formation around underground Power Cables on their Ratings.

Ghada M. Amer

[12] NOM-008-SECRE-199, Control de la corrosión externa en tuberías de acero

enterradas y/o sumergidas. Apartado 5.9.2

[13] Can/Am Users Group, ATP Rule Book, 2000.

[14] Leonardo Cardona C., Guía de Prácticas de Fenómenos transitorios

electromagnéticos, Universidad Nacional de Colombia, Medellín 2004.

[15] H.K. Høidalen, L. Prikler and J.L. Hall, “ATPDraw - Graphical preprocessor to ATP,

Windows version,” International Conference on Power Systems Transients, June 20-

24, 1999, Budapest.

[16] El paquete de simulación ATP. Nuevas prestaciones. Juan A. Martínez Velasco,

Departament d'Enginyeria Elèctrica. Universitat Politècnica de Catalunya.

[17] Gilberto Enríquez Harper. Fundamentos de Sistemas de Energía Eléctrica. Editorial

Limusa, México. 1985.

http://www.monografias.com/trabajos13/admuniv/admuniv.shtml


Anexo A 70

ANEXO A EL PAQUETE DE SIMULACIÓN EMTP/ATP

El EMTP/ATP es una herramienta de simulación potente que ha tenido un elevado

número de aplicaciones.

El EMTP/ATP (Electro Magnetic Transient Program / Alternative Transients Program) fue

originalmente diseñado para el cálculo de procesos transitorios electromagnéticos en

sistemas eléctricos de potencia. Este es un programa digital que se ha utilizado ara la

simulación de transitorios electromagnéticos, electromecánicos y de sistemas de control

en sistemas eléctricos polifásicos de potencia. Inicialmente fue desarrollado junto con

varios programas de apoyo con los que se puede diseñar un paquete de simulación muy

flexible y potente, cuyas prestaciones son actualizadas regularmente. Durante un periodo

de más de 20 años, se ha ampliado considerablemente, resultando ser en la actualidad un

programa de amplia difusión y utilización en todo el mundo [13].

A.1 Historia

El EMTP/ATP fue desarrollado en su versión inicial por el Dr. Herman Dommel durante la

década de 1960 en Alemania, quién posteriormente cedería el programa a la Bonnevilie

Power Administration (BPA) de los Estados Unidos. A pesar de ser la BPA la que coordinó

la distribución del programa entre los diferentes grupos de usuarios, muchas

universidades contribuyeron al desarrollo de los diferentes modelos que constituyen lo

que hoy es este programa. Debido a que el programa fue escrito inicialmente en Fortran,

la interacción con el usuario era mediante un rígido archivo que debía cumplir ciertas

normas de dicho lenguaje [14].

Actualmente existen programas tipo interfaz, que permiten un trabajo más amigable para

muchas de las aplicaciones. La interfaz utilizada es la ATPDRAW, que es un producto de

Norwegian Electric Power Research Institute, mediante un contrato con la BPA. Esta

interfaz cubre una buena parte de las posibilidades que tiene el programa EMTP/ATP

pero siempre se deberá tener un conocimiento básico de cómo opera el ATP, que es

realmente el programa simulador.

A.2 Interfaces utilizadas en la actualidad

ATPDraw, para creación y edición de archivos de entrada.

PLOTXY, para procesar los resultados de una simulación.

El ATPDraw es un preprocesador interactivo en entorno Windows que actúa como núcleo

central del paquete completo, ya que los usuarios pueden controlar la ejecución de

cualquier programa integrado en el paquete desde ATPDraw. Este preprocesador dispone

de modelos para los principales componentes de una red de potencia, y permite que un

usuario pueda añadir sus propios modelos desarrollados a partir de varias opciones


Anexo A 71

disponibles en el paquete, como Data Base Module (DBM) o el lenguaje de programación

MODELS (utilizados por ejemplo para representar bancos de capacitores) [15].

El PLOTXY es un procesador de los resultados obtenidos de una simulación presentados

en forma de gráficos, los usuarios de este, podrán controlar los parámetros a graficar, es

decir, que dependiendo de lo que se requiera observar se podrá graficar en conjunto o en

forma independiente una serie de valores obtenidos, cabe mencionar que el PLOTXY

grafica exclusivamente los resultados de los instrumentos de medición colocados en la

simulación (como son voltmetros, ampermetros, etc.).

A.3 Descripción del paquete

La figura A.1 muestra la secuencia de tareas que se realizan en un estudio de simulación

normal con algunos de los programas que integran el paquete ATP. En realidad la

interacción entre programas y archivos es mucho más compleja ya que existen varios

tipos de archivos que no se muestran en la figura y que pueden formar parte de una

simulación, como por ejemplo los archivos de entrada a la rutina Data Base Module, y

otros tipos de interacciones entre programas y archivos [16].

Figura A.1. Tareas principales del ATP

El procedimiento completo, desde la creación del diagrama de la red hasta la visualización

de los resultados de una simulación se puede resumir de la siguiente forma:

El primer paso será la creación del diagrama de la red, si se trata de un caso

nuevo, o la modificación del diagrama existente, si este ya fue creado

anteriormente. En ambos casos será necesario realizar varias operaciones

Para añadir un componente al diagrama de la red, bastará con pulsar el botón

derecho del ratón en cualquier punto de la pantalla donde se edita el circuito;

aparecerá un menú desplegable con la lista de tipos de componentes (Ramas,

Interruptores, Fuentes, etc.), una vez elegido el componente que se quiere

añadir aparece el icono correspondiente en la pantalla de edición.


Anexo A 72

Para desplazar un icono basta poner el puntero del ratón sobre el icono y

mantener pulsado el botón izquierdo; para dejarlo en la nueva ubicación, basta

con dejar de pulsar el botón.

Para especificar, cambiar o corregir los datos de un componente es necesario

colocar el puntero del ratón sobre el icono y pulsar el botón derecho, aparecerá

la pantalla de datos correspondiente al tipo al que pertenece el componente.

Si un icono ha sido seleccionado, pulsando el botón derecho del ratón se

consigue que gire un ángulo de 90° en el sentido contrario al de las agujas del

reloj.

Una vez editado el diagrama de la red que se desea analizar, se han de introducir

los parámetros propios de la simulación (paso de integración, tiempo final de

simulación, unidades de los parámetros de entrada).

A continuación se debe solicitar la creación del archivo de entrada, para lo que se

empleará la opción Make File del menú ATP. El archivo generado tiene el mismo

nombre que el archivo de la red pero con la extensión .atp, y puede ser leído

mediante cualquier procesador de texto, ya que se trata de un fichero de texto.

Una vez creado el archivo de entrada, se puede ejecutar la simulación con la

opción escogida por el usuario y que se encontrará en la lista de archivos por lotes

(Batch Jobs) dentro del menú ATP.

Si la ejecución se ha realizado correctamente, se pueden visualizar los resultados

mediante la opción escogida por el usuario, y que también se encuentra en la lista

de archivos por lotes que hay en el menú ATP. En este caso se utilizo plotXY.

A.4 Estudios a realizar con el programa EMTP/ATP.

A pesar de que el objetivo principal del programa es la obtención de la respuesta

transitoria de los sistemas eléctricos de potencia, también se puede obtener la respuesta

en estado estacionario para un sistema alimentado con CA [14].

Para la simulación del sistema de potencia, el programa posee varios modelos que deja

una representación adecuada de los diferentes elementos que lo componen. Los modelos

disponibles se pueden clasificar así:

Modelos constituidos por elementos concentrados RLC. Estos modelos pueden ser

simples ramas RLC serie, circuitos PI polifásicos que pueden representar líneas de

transmisión o transformadores.

Modelo de onda viajera para representar adecuadamente una línea o un cable.

Impedancias de tipo no lineal: Resistencias no lineales, inductancias no lineales,

resistencias variables con el tiempo.

Interruptores ideales controlados por tiempo. Interruptores controlados por tensión

para la simulación de "gaps" en flameos de aisladores. Diodos y tiristores.

Interruptores de operación estadística.

Fuentes de tensión y corriente ideales de tipo escalón, sinusoidal, rampa,

exponencial y definidas punto a punto.

Modelo completo para la máquina sincróna.


Anexo A 73

Modelo universal de la máquina eléctrica que permite representar doce tipos de

máquinas diferentes. El modelo de más interés en este grupo de modelos es el del

motor de inducción trifásico.

Representación de los sistemas de control mediante la opción de los TACS

(Transients Analysis Control System). En las versiones más recientes del ATP

existe una opción alterna para representar la parte de control del sistema de

potencia: MODELS.

El ATP permite hacer entre otros los siguientes estudios:

Cálculo de parámetros en líneas aéreas y cables subterráneos.

Cálculo en estado estacionario sobre un sistema de potencia.

Sobretensiones por maniobra.

Sobretensiones por descargas atmosféricas.

Cálculos de cortocircuito involucrando los sistemas de retorno.

Coordinación de aislamiento.

Cálculo de voltajes inducidos sobre elementos cercanos a líneas de transmisión.

Resonancia en líneas paralelas.

Simulación de arranque de motores.

Evaluación de armónicos.

Estudios de ferrorresonancia.

Máquinas eléctricas.

Simulación del control de las máquinas y del sistema de potencia.


Anexo B 74

ANEXO B ELEMENTOS DE LAS LÍNEAS ELÉCTRICAS DE TRANSMISIÓN

Las líneas de transmisión constituyen una parte importante de la llamada “Red Eléctrica”

de un sistema ya que en sus distintos niveles de tensión transmiten y distribuyen la

energía eléctrica, además de interconectar las distintas partes del sistema. Las líneas

aéreas están constituidas por conductores en aire apoyados en estructuras (torres) y

sujetas por medio de aisladores. El aislamiento entre conductores lo proporciona el aire,

mientras que el asilamiento entre los conductores y tierra se obtiene por medio de las

cadenas de aisladores [17].

La Comisión Federal de Electricidad (CFE) usa como tensiones de transmisión, las

presentadas en la tabla B.1.

Tabla B.1. Niveles de tensión utilizados en las líneas de transmisión.

Tensión Nominal (kV)

Tensión Máxima de Diseño (kV)

400 420

230 245

Los calibres de conductores normalmente usados en las líneas de transmisión de la CFE

en México, son los que se presentan en la tabla B.2.

Tabla B.2. Calibres de los conductores de las líneas de transmisión

Tensión del

Sistema (kV)

N° de Conductores

Por fase

Calibre del Conductor

(kCM)

400

1 1113

2

1113

3

795 900

1113

4

477 795 900

1113


Anexo B 75

Tensión del

Sistema (kV)

N° de Conductores

Por fase

Calibre del Conductor

(kCM)

230

1

795 900

1113

2

477 795 900

1113

Debido a que se realizan simulaciones en líneas de transmisión de 230 kV y 400

kV, se utilizan los datos del conductor de 900 kCM y 1113 kCM, los cuales se

presentan en las tablas B.3 y B.4.


Anexo B 76

Tabla B.3. Características Generales de Conductores de 1113 kCM ACSR.

Características Cables Conductores

Unidades

Valores

Designación comercial Descripción corta Designación AWG Área de la sección total Área de la sección de aluminio Número de alambres de aluminio Número de alambres de aluminio Diámetro de cada hilo de acero Diámetro de cada hilo de aluminio Diámetro de externo total Peso aproximado Módulo de elasticidad inicial Módulo de elasticidad final Coeficiente de dilatación lineal inicial Coeficiente de dilatación lineal final Corriente a 60 Hz Resistencia eléctrica a 25°C y 60Hz Radio medio geométrico a 60 Hz

Cable ACSR

mCM mm² mm²

alambres alambres

mm mm mm kg/m

kg/cm² kg/cm²

10 -6 /°C

10 -6 /°C

Amperes Ohms/Km

mm

Blue Jay 1113.0 1113.0 603.0 562.7

7 45 4.0 2.6

31.98 1.875

548.34 E + З 658.71 E + З

20.53 20.80 1110

0.0524 12.65


Anexo B 77

Tabla B.4. Características Generales de Conductores de 900 kCM ACSR.

Características Cables Conductores

Unidades

Valores

Designación comercial Descripción corta Designación AWG Área de la sección total Área de la sección de aluminio Número de alambres de aluminio Número de alambres de aluminio Diámetro de cada hilo de acero Diámetro de cada hilo de aluminio Diámetro de externo total Peso aproximado Módulo de elasticidad inicial Módulo de elasticidad final Coeficiente de dilatación lineal inicial Coeficiente de dilatación lineal final Corriente a 60 Hz Resistencia eléctrica a 25°C y 60Hz Radio medio geométrico a 60 Hz

Cable ACSR

mCM mm² mm²

alambres alambres

mm mm mm kg/m

kg/cm² kg/cm²

10 -6 /°C

10 -6 /°C

Amperes Ohms/Km

mm

Canary 900.0 900.0 512.2 465.1

7 54

3.28 3.28 29.51 1.723

520.22 E + З 667.85 E + З

18.28 19.26 970

0.06339 11.94


Glosario 78

GLOSARIO

Acople resistivo o conductivo

La causa más común de las sobretensiones transitorias, que afecta cables subterráneos y

aéreos. Se genera cuando un rayo eleva el potencial eléctrico de uno o más grupos de

edificios o construcciones interconectados eléctricamente.

Agresividad de terreno

Se refiere a la acidez y resistividad del terreno.

Aislador

Son piezas de material aislante empleadas para soportar los conductores eléctricos de las

líneas eléctricas de transmisión y distribución. Típicamente son aisladores de disco cuyas

características están normalizadas según el peso o fuerza soportable, nivel de

contaminación admisible y diámetro.

Aislador tipo caperuza

Es conocido también como vástago, el cual se compone de una campana de porcelana o

vidrio templado y lleva en su parte inferior algunas ondulaciones, este aislador, es un tipo

de aislador de cadena.

Ambiente salobre

Son aguas marinas diluidas con aguas dulces en las que la proporción de sal es mayor

que en el agua dulce y menor que el agua marina. Técnicamente, se considera agua

salobre la que posee de 0.5 a 30 partes por mil de sal. Son consideradas aguas salobres

las que se encuentran en la zona donde confluyen las aguas de los ríos y lagos con las

aguas saladas, frente a las costas.

Ánodo

Es un electrodo en el cual se produce la reacción de oxidación.

Apartarrayos

Son equipos eléctricos diseñados para drenar a tierra los sobre voltajes producidos por

medios climáticos o fallas en el sistema.

http://enciclopedia.us.es/index.php/Aislante_el%C3%A9ctrico

http://enciclopedia.us.es/index.php/Conductor_el%C3%A9ctrico

http://enciclopedia.us.es/index.php?title=Transmisi%C3%B3n_de_electricidad&action=edit&redlink=1

http://enciclopedia.us.es/index.php?title=Distribuci%C3%B3n_de_electricidad&action=edit&redlink=1

http://enciclopedia.us.es/index.php/Normalizaci%C3%B3n

http://www.dominicanaonline.org/diccionariomedioambiente/es/definicionVer.asp?id=51







Glosario 79

Cable ACSR

Es el cable constituido por un núcleo central de alambres de acero galvanizado

rodeado por uno o mas capaz de alambre de aluminio duro dispuesto helicoidalmente.

Catenaria

Es la curva que describe una cadena suspendida por sus extremos, sometida a un campo

gravitatorio uniforme.

Cátodo

Es un electrodo en el cual se produce la reacción de reducción.

Corredores Comunes

Son aquellas áreas compartidas entre la línea de transmisión y otros dispositivos como las

vías de ferrocarril que corren en paralelo a la línea.

Corrosión electrolítica

Es causada por una corriente producida por una fuente externa.

Corrosión Intergranular

Este tipo de corrosión se produce cuando el carburo de cromo se precipita en los límites

de los gránulos durante el proceso de soldadura o en relación con un tratamiento térmico

insuficiente. Es el grado de desintegración electroquímica que se produce en los límites

de grano de un metal, como consecuencia de la pérdida de características debidas al

calentamiento generado, por ejemplo, en las zonas de transición de las soldaduras.

Corrosión por suelos

Se designa químicamente corrosión por suelos, a los procesos de degradación que son

observados en estructuras enterradas. La intensidad dependerá de varios factores tales

como el contenido de humedad, composición química, pH del suelo, etc. En la práctica

suele utilizarse comúnmente el valor de la resistividad eléctrica del suelo como índice de

su agresividad.

Efecto corona

Es un fenómeno eléctrico que se produce en los conductores de las líneas de alta tensión

y se manifiesta en forma de halo luminoso a su alrededor. Dado que los conductores

suelen ser de sección circular, el halo adopta una forma de corona, de ahí el nombre del

fenómeno.

http://es.wikipedia.org/wiki/Cadena_%28objeto%29

http://es.wikipedia.org/wiki/Campo_gravitatorio



http://www.monografias.com/trabajos33/suelos/suelos.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/administ-procesos/administ-procesos.shtml#PROCE

http://www.monografias.com/Quimica/index.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/proteinas/proteinas.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtml

http://es.wikipedia.org/wiki/Conductor_el%C3%A9ctrico

http://es.wikipedia.org/wiki/Alta_tensi%C3%B3n


Glosario 80

Electrodo de sacrificio

Es el que se gasta en la electrólisis para evitar que se corrosione otro. Este proceso se

llama "protección catódica".

Electrolito

Es cualquier sustancia que contiene iones libres, los que se comportan como un medio

conductor eléctrico. Debido a que generalmente consisten de iones en solución, los

electrólitos también son conocidos como soluciones iónicas, pero también son posibles

electrolitos fundidos y electrolitos sólidos.

Fuerza electromotriz

Es toda causa capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos de un

circuito abierto o de producir una corriente eléctrica en un circuito cerrado.

Hilos de guarda

El elemento ubicado en la parte superior de los postes y estructuras que sirven para subir al punto de referencia a tierra o arriba de los conductores de transmisión de energía. Herrajes

Son elementos de tornillería y soldadura que se utilizan para sujetar el conductor cable de

guarda y las cadenas de aisladores a las estructuras o postes de las líneas de transmisión

o subtransmisión.

Herrumbre

Es la oxidación de cualquier metal, llamamos oxidación cuando un átomo pierde

electrones, las herrumbres generalmente son producidas por una especie de bacterias

llamadas Quimiosintéticas (bacterias del Fe) porque ellas oxidan sustancias inorgánicas

para obtener energía.

Impedancia

Oposición que encuentra una corriente alterna para circular en un circuito.

Inducción electrostática o capacitiva

Es la redistribución de la carga eléctrica en un objeto, causada por la influencia de cargas

cercanas.

http://es.wikipedia.org/wiki/Ion

http://es.wikipedia.org/wiki/Conductor_el%C3%A9ctrico

http://es.wikipedia.org/wiki/Fusi%C3%B3n_%28cambio_de_estado%29

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Electrolito_s%C3%B3lido&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Diferencia_de_potencial

http://www.alegsa.com.ar/Definicion/de/corriente.php

http://www.alegsa.com.ar/Definicion/de/para.php

http://www.alegsa.com.ar/Definicion/de/circular.php

http://www.alegsa.com.ar/Definicion/de/circuito.php

http://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctrica


Glosario 81

Inducción electromagnética o inductiva

Es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o voltaje) en

un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio móvil

respecto a un campo magnético estático. Es así que, cuando dicho cuerpo es un

conductor, se produce una corriente inducida.

Oxidación

Es la reacción química a partir de la cual un átomo, ión o molécula cede electrones;

entonces se dice que aumenta su estado de oxidación.

Oxido reducción

Son las reacciones de transferencia de electrones. Esta transferencia se produce entre un

conjunto de elementos químicos, uno oxidante y uno reductor (una forma reducida y una

forma oxidada respectivamente).

Pasta Compound

Pasta compuesta de origen orgánico que es poco resistente a la acción prolongada de

altas tensiones, por lo que su uso se limita a instalaciones en baja tensión al interior de la

construcción.

PH del suelo

El pH (potencial de hidrógeno) es una medida de la acidez o alcalinidad de una solución.

El pH indica la concentración de iones hidronio [H3O+] presentes en determinadas

sustancias. La sigla significa "potencial de hidrógeno" (pondus Hydrogenii o potentia

Hydrogenii; del latín pondus, n. = peso; potentia, f. = potencia; hydrogenium, n. =

hidrógeno). Este término fue acuñado por el químico danés Sørensen, quien lo definió

como el logaritmo negativo de base 10 de la actividad de los iones hidrógeno.

Pila galvánica

Una pila galvánica consta de dos semipilas (denominadas también semiceldas o

electrodos). En su forma más simple, cada semipila consta de un metal y una solución de

una sal del metal. La solución de la sal contiene un catión del metal y un anión para

equilibrar la carga del catión. En esencia, la semipila contiene el metal en dos estados de

oxidación, y la reacción química en la semipila es una reacción redox.

Protección catódica

Es un método electroquímico cada vez más utilizado hoy en día, el cual aprovecha el

mismo principio electroquímico de la corrosión, transportando un gran cátodo a una

estructura metálica, ya sea que se encuentre enterrada o sumergida.

http://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza_electromotriz

http://es.wikipedia.org/wiki/Diferencia_de_potencial

http://es.wikipedia.org/wiki/Campo_magn%C3%A9tico

http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Reacci%C3%B3n_qu%C3%ADmica

http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Sustancia_qu%C3%ADmica

http://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3geno

http://es.wikipedia.org/wiki/Acidez

http://es.wikipedia.org/wiki/Base_%28qu%C3%ADmica%29

http://es.wikipedia.org/wiki/Disoluci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Hidronio

http://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3geno

http://es.wikipedia.org/wiki/Qu%C3%ADmica

http://es.wikipedia.org/wiki/Dinamarca

http://es.wikipedia.org/wiki/S._P._L._S%C3%B8rensen

http://es.wikipedia.org/wiki/Logaritmo

http://es.wikipedia.org/wiki/Actividad_%28qu%C3%ADmica%29

http://es.wikipedia.org/wiki/Ion

http://es.wikipedia.org/wiki/Celda_electroqu%C3%ADmica#Las_semiceldas_o_semireacciones

http://es.wikipedia.org/wiki/Cati%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Ani%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Estado_de_oxidaci%C3%B3n



http://es.wikipedia.org/wiki/Reducci%C3%B3n-oxidaci%C3%B3n

http://www.monografias.com/trabajos11/metods/metods.shtml


Glosario 82

Reacción electroquímica

Es la secuencia paso a paso de las etapas elementales, que participen al menos en una

transferencia de electrones cerrada, por la cual en general se produce un cambio químico.

Retenida

Cable retorcido utilizado para soportar una tensión semi - flexible entre un poste o

estructura y la varilla de anclaje, o entre estructuras

Resistencia longitudinal

La fuerza por unidad de sección que resiste un cuerpo antes de romperse.

Revestimiento

Capa que recubre una superficie metálica para protegerla o adornarla.

Semi-reacción

Se caracteriza por que los átomos aumentan su estado de oxidación cuando se

transforman de reactivos a productos. Este aumento en el estado de oxidación es

producto de una perdida de electrones por parte de los reactivos. Los electrones “perdidos”

serán transferidos hacia los átomos que se van a reducir.

Semipar electroquímico

Se le denomina semipar electroquímico al hecho de separar una especie y su

semireacción.

Termografia

Es una técnica que permite medir temperaturas exactas a distancia y sin necesidad de

contacto físico con el objeto a estudiar. Mediante la captación de la radiación infrarroja del

espectro electromagnético.

Torre arriendada

Torre de suspensión metálica, con dos hilos de guarda y doble cadena de aisladores por

fase, además de cuatro conductores por fase, es más económica que una torre de

retención.

Torre económica

Torre de suspensión metálica, con dos hilos de guarda y doble cadena de aisladores por

fase, además de cuatro conductores por fase, es más económica que una torre de

retención.

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Etapa_elemental&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Transferencia_de_electrones&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturas

http://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci%C3%B3n_infrarroja

http://es.wikipedia.org/wiki/Espectro_electromagn%C3%A9tico

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