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Cable Testing
TECNICA DE LA ALTA TENSION
CAPITULO 2 - INSTALACIONES DE ALTA TENSION EN CORRIENTE CONTINUA
Introducción: ¿Por qué se utiliza la corriente continua?
Históricamente las primeras aplicaciones de energía eléctrica, fueron en corriente continua, pero rápidamente se descubrieron las ventajas de la corriente alterna, que permitía independizar la aplicación (transmisión o utilización) de la tensión aprovechando los transformadores.
Iniciamos haciéndonos la pregunta: por que se utiliza la corriente continua en los grandes sistemas de transmisión y para algunas aplicaciones especiales, hasta aquí hemos visto todas ventajas para la corriente alterna, veamos ahora la contraparte, comencemos viendo necesidades y tipos de instalaciones de corriente continua, que se presentan.
En el mundo se ha difundido la corriente alterna, parte utiliza 50 Hz (Europa, y los países donde la industria Europea ha influido más) y parte 60 Hz (Estados Unidos, y su área de influencia), en algunos países coexisten ambas frecuencias por ejemplo Japón, en otros como Brasil en los años 70 se hizo un enorme esfuerzo para unificar y pasar todo lo que era 50 ciclos a 60.
La figura 32 muestra como están distribuidas en el mundo las frecuencias de 50 y 60 Hz. Cuando dos sistemas de 50 y 60 Hz se encuentran próximos, en nuestro caso por ejemplo las redes de Argentina y Brasil, puede ser de interés y de utilidad tratar de interconectarlos, estos sistemas se dicen asincrónicos (no son sincrónicos), la interconexión se hace con corriente continua.
En algunos casos los dos sistemas tienen igual frecuencia pero no tienen la misma estrategia de regulación de frecuencia, es el caso de las interconexiones entre Europa del Este y del Oeste y por esa razón no pueden funcionar en paralelo la solución para unirlos es también utilizando la corriente continua.
En otros casos también se presenta la necesidad de interconectar grandes sistemas, permitiendo que conserven su característica de sistemas asincrónicos, aun teniendo igual frecuencia no deben conectarse directamente para no incrementar las dificultades de operación de la red.
Interconexiones asincrónicas sin línea de corriente continua
Todas las instalaciones de este tipo (sin línea en corriente continua) son llamadas Back to back, la figura 33 muestra un ejemplo de una instalación en India.
Se observan los dos sistemas trifásicos (en 400 kV), transformadores, convertidores electrónicos de corriente alterna a continua, una corta barra de unión (en 205 kV) entre los sistemas de corriente continua. Dentro de esta instalación además se encuentran filtros de armónicas.
Interconexiones con cables aislados (submarinos)
Otra aplicación particularmente difundida en Escandinavia, es la interconexión en corriente continua mediante cables submarinos. Esta aplicación con corriente alterna no sería posible por la gran capacitancia de los cables, que exigiría al sistema de corriente alterna una gran potencia reactiva de compensación, manteniendo muy cargados los cables aun con potencia (activa) transmitida nula.
La figura 34 muestra las estaciones de alta tensión terminales de corriente alterna, los transformadores, los convertidores de corriente alterna a continua, los reactores serie de corriente continua, que cumplen la función de filtros, los cables (101 km para el caso que se observa).
Hay algunas instalaciones con un solo cable y que utilizan el agua como retorno permanente.
En estas instalaciones adquiere importancia la puesta a tierra, que permite transmitir potencia (parcial) con uno de los cables fuera de servicio, utilizando la tierra (el agua) como conductor de retorno.
Se observan los filtros de armónicas en las estaciones de corriente alterna, y en caso de baja potencia de cortocircuito de los nodos, se hace necesario tener compensadores rotantes (generadores de potencia reactiva).
La figura 35 muestra la planta de una estación conversora, pueden encontrarse en ella los distintos componentes ya observados en el esquema unifilar, que son:
- 1) Filtro doble sintonizado
- 2) Filtro pasa alto
- 3) Almacén
- 4) Transformador de reserva
- 5) Intercambiadores de calor
- 6) Sala de válvulas
- 7) Transformadores de los convertidores
- 8) Sala de seccionadores de corriente continua
- 9) Línea del electrodo de tierra
- 10) Cable de corriente continua
La figura 36 muestra cables submarinos aislados con papel impregnado con aceite, o aislados con polietileno reticulado XLPE.
Otra instalación particularmente interesante es la transmisión submarina de Skagerrak que se ha ido desarrollando en etapas, agregándose sucesivamente cables de 250 kV y recientemente uno de 350 kV como se puede observar en la figura 37
Se puede ver en la figura 38 y figura 39 las perspectivas de las estaciones conversoras de ambos extremos del cable.
Una instalación monopolo (Baltic HVDC link monopolo) cruza el mar Báltico entre Lübeck (Alemania) y Arrie (Suecia) pudiéndose ver el detalle del cable utilizado en la figura 40, el esquema unifilar en la figura 41 y la perspectiva de una de las estaciones conversoras en la figura 42
Interconexiones con largas líneas aéreas
Esta misma solución puede utilizarse para transmitir potencia en alta tensión entre puntos distantes, con líneas aéreas bipolares que son más económicas, que las líneas aéreas trifásicas, y esto compensa con su menor costo, los equipos conversores que el sistema de transmisión requiere.
La figura 43 esquematiza la solución de transmisión en corriente continua de tipo tradicional con dos conductores uno por cada polo, la figura 44 muestra como podría realizarse una transmisión monopolar, aprovechando una línea trifásica, y el retorno por tierra.
Para las líneas monopolares adquiere particular importancia la realización de las puestas a tierra de las conversoras, ya que su resistencia significa pérdidas, es interesante en cambio notar que la sección del conductor de retorno es "infinita" y entonces no hay pérdidas atribuibles a éste.
La figura 45 muestra las distancias que se adoptan entre conductores y estructuras en las transmisiones en corriente continua (es interesante comparar estas distancias con proyectos de corriente alterna).
Para una línea de ± 500 kV resulta la distancia de 3.60 m
Esta distancia también puede obtenerse con la siguiente fórmula:
La longitud de la línea de fuga de los aisladores debe cumplir la siguiente ecuación, en casos de contaminación normales:
Para una línea de ± 500 kV resulta Lfuga = 4.69 m
Para la distancia al suelo (en el punto y condición de flecha máxima) se utiliza la siguiente fórmula:
que para una línea de ± 500 kV resulta Dmin = 8.73 m
La línea de transmisión bifilar en corriente continua ± U presenta una caída de tensión que se determina fácilmente:
La pérdida relativa es:
Siendo la resistencia del conductor
Si la línea es monopolar de tensión U y siendo rt la resistencia de las puestas a tierra, entonces:
La pérdida relativa es:
La tabla que sigue compara dos líneas de corriente continua para transmitir la misma potencia, con la misma tensión respecto de tierra en soluciones bipolo y monopolo.
Tabla - Valores comparativos de línea de corriente continua
| Cálculo de la línea | Bipolo | Monopolo | |
| Longitud | km | 500 | 500 |
| Potencia | MW | 1000 | 1000 |
| Tensión | kV | 500 | 500 |
| Corriente | A | 1000 | 1000 |
| Densidad de corriente | A/mm² | 1 | 1 |
| Resistividad | ohmm mm²/km | 30 | 30 |
| Sección | mm² | 1000 | 1000 |
| Resistencia | ohm/km | 0.03 | 0.03 |
| R | ohm | 15 | 7.5 |
| Resistencia tierra | ohm | 2 | |
| D U | V | 3000 | 1900 |
| Pérdidas | kW | 3000 | 3800 |
| Pérdidas Relativas | % | 3 | 3.8 |
| D U/U | % | 3 | 3.8 |
Para una misma potencia se puede observar la corriente que en cada línea se debe transmitir, la sección que se determina a partir de cierta densidad de corriente (que debe ser económica) y la consecuencia son las pérdidas, y la caída de tensión.
Este ejemplo de líneas en corriente continua es muy fácil de comprender, pero se observa que no se ha hecho un análisis equivalente al hablar de las líneas de corriente alterna, debido a que las relaciones son mucho más complejas. De todos modos a continuación intentamos algún avance comparativo.
Largas líneas aéreas de corriente alterna
Comencemos con una advertencia, trataremos someramente el tema con una visión muy simplificada. Supongamos una línea de longitud l, que transmite potencia P (sólo activa) a la tensión U (compuesta trifásica), la corriente será:
Fijamos una densidad de corriente económica D, una resistividad R , queda determinada la sección del conductor de fase s, la resistencia por unidad de longitud y la resistencia de una fase de la línea R, las pérdidas son:
Una característica de la línea es su reactancia X por fase, la potencia reactiva requerida por la línea que transmite cierta corriente es:
Tabla - Valores comparativos de línea de corriente alterna
| Cálculo de la línea de CA | Trifásica 1 | Trifásica 2 | |
| Longitud | km | 500 | 500 |
| Potencia | MW | 1000 | 100 |
| Tensión | kV | 500 | 500 |
| Corriente | Amper | 1154 | 115 |
| Densidad | A / mm² | 1 | |
| Resistividad | ohm mm²/km | 30 | 30 |
| Sección | mm² | 1154.7 | 1154.7 |
| Resistencia | ohm/km | 0.0259 | 0.0259 |
| R | ohm | 12.99 | 12.99 |
| Pérdidas | kW | 51961.5 | 519.6 |
| Pérdidas relativas | % | 5.19 | 0.51 |
| Xreactancia | ohm/km | 0.3 | 0.3 |
| X | ohm | 150 | 150 |
| QL | MVAr | 00 | 60 |
| C | microF/km | 0.01 | 0.01 |
| Frecuencia | Hz | 50 | 50 |
| wC | 3.1415 10-6 | 3.1415 10-6 | |
| QC | MVAr | 392.69 | 392.69 |
| Tensión pico | kV | 408.24 | 408.24 |
Observamos que aunque tratamos de transmitir sólo potencia activa nos aparece en la línea la necesidad de aportarle potencia reactiva, esto no lo observamos en la transmisión en corriente continua (porque sólo analizamos la línea y no las conversoras).
La capacitancia por fase C de la línea genera potencia reactiva 
La tabla que sigue reúne los cálculos sugeridos para una línea de corriente alterna de características comparables al ejemplo antes desarrollado para corriente continua, se han fijado dos estados de carga de la línea, 1000 y 100 MW, para evidenciar como varía la potencia reactiva inductiva de la línea.
Observemos por último que para una determinada corriente las potencias QL y QC se igualan, dejemos aquí el tema conservando la idea de la mayor complejidad del comportamiento del sistema de transmisión en corriente alterna.
Comparación entre transmisión en corriente alterna y continua
Es difícil hacer una comparación entre una transmisión en corriente alterna y una en continua, para hacer una comparación completa se deben tener en cuenta muchos componentes, en particular en el sistema de corriente alterna los reactores derivación de la línea, y en el sistema en corriente continua las estaciones conversoras, y transformadores de ambos extremos.
Reduciendo la comparación a las solas líneas, se debe fijar una misma tensión máxima hacia tierra para ambos sistemas, en este caso si adoptamos 525 kV en corriente alterna corresponderá 428 kV en corriente continua, y calculando sección total y pérdidas se observa que la línea de corriente continua tendrá solo el 70% de la sección total y pérdidas correspondientes a la línea de corriente alterna, menor sección significa menos inversión, menores pérdidas son menor costo de operación... hasta aquí hemos llegado, proponemos al estudiante que retome el tema cuando tenga más elementos de diseño.
Repitamos una advertencia, estos últimos temas los hemos visto con hipótesis simplificativas drásticas, a fin de transmitir una idea simple, hemos simplificado el problema de la transmisión en demasía... frecuentemente este es un buen camino para encarar problemas de ingeniería, primero con una visión extremadamente simplificada... pero no quedarse en ella... sucesivas visiones más complejas sirven para mejorar y perfeccionar la solución buscada.
Aplicaciones - transmisión en alta tensión para el ferrocarril
Para la transmisión ferroviaria, fue ventajosa la alta tensión continua porque (con una misma tensión) al ser menores las caídas de tensión (por no presentar caída reactiva), el radio de acción de la línea de contacto es mayor, en consecuencia se requieren menos puntos de alimentación para lograr alimentar los trenes.
La alimentación con tensiones alternas de 25 kV es la solución que compite con este sistema en corriente continua en 6 kV o más.
Filtros de armónicas
La conversión de alterna a continua y continua a alterna se hace con equipamiento electrónico, y aparecen en consecuencia fenómenos de armónicas que deben ser controlados, se debe completar el sistema con filtros para contener las armónicas.
Los filtros más simples están formados por un reactor en serie con un capacitor, a veces también hay un resistor en serie, en otros casos el reactor tiene un resistor en paralelo, cada combinación presenta distinto comportamiento, y ventajas que deben ser analizadas en cada particular aplicación.
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