XIII ERIAC DCIMO TERCER ENCUENTRO REGIONAL IBEROAMERICANO DE CIGRPuerto Iguaz Argentina

24 al 28 de mayo de 2009

XIII/PI-B2 -24

Comit de Estudio B2 - Lneas Areas

REPOTENCIACIN DE LNEAS. CAMBIOS DE TENSIN DE 132 A 220KV. ANLISIS DE EMPLEO DE CONDUCTORES CONVENCIONALES Y CONDUCTORES DE ALTAS PRESTACIONES J. ORELLA * Espaa M. BARRIOCANALIberdrola Ingeniera y Construccin

Iberdrola Ingeniera y Construccin

Espaa

Resumen Empresas elctricas, investigadores y fabricantes han mantenido la bsqueda de soluciones para maximizar el uso de los bienes/instalaciones existentes para aumentar su capacidad de transporte de potencia. A menudo se centran en los nuevos mtodos o tecnologas que ofrecen soluciones para el sistema de planificacin que, a su vez, permite aprender a modelar y evaluar estas soluciones en el marco de sus estudios de planificacin y ejecucin de procesos. Los medios posibles incluyen: Soluciones basadas en Ampacidad: por medio de cambio de conductores o medios avanzados de operacin Cambio estructural de la lnea: Aumento de tensin, Compactacin, Upgrading, HSIL, etc. Los aumentos significativos y coincidentes en voltaje y amperios de una lnea existente requieren el reemplazo de conductores y de estructuras. Esto es costoso y asciende generalmente al reemplazo completo de la lnea existente con una nueva. Es decir, la nica caracterstica conservada de la lnea existente es su derecho de paso. Adems, muchas regiones estn gobernadas por leyes que restringen o previenen ciertos tipos de cambio y por lo tanto tambin eliminan muchas opciones. Esto significa que, generalmente, los aumentos rentables de la capacidad se alcanzan en lneas existentes aumentando el voltaje o los amperios, pero no ambos. En el presente artculo se propone aportar la experiencia obtenida en Iberdrola Ingeniera y construccin en los proyectos de repotenciacin de lneas que ha realizado a lo largo de los ltimos aos y las principales recomendaciones surgidas de esta experiencia, as como la problemtica ms comn encontrada. Palabras clave: Conductor, altas prestaciones, repotenciacin, Compactacin, Lneas, Subestaciones, Transmisin, Alta Tensin (A.T.), instalacin, 1 CONTEXTO

El crecimiento de la demanda en Espaa, junto con la oposicin creciente al montaje de nuevas lneas areas, genera carencias en la garanta de suministro, empeorando la fiabilidad del sistema y limitando en algunos casos el suministro a nuevos clientes residenciales e industriales. Adems, la dificultad sociomedioambiental de encontrar pasillos para la construccin de nuevas lneas de transporte se ha incrementado y en algunos casos se hace prcticamente imposible. Por ello, es necesario encontrar nuevas alternativas para aumentar la capacidad de transporte de las lneas ya existentes, lo cual representa una alternativa ms econmica y tcnicamente ms adecuada que la construccin de lneas subterrneas de alta tensin. En el presente artculo describe la experiencia obtenida en Iberdrola Ingeniera y construccin en los proyectos de repotenciacin de lneas que ha realizado dentro de los ltimos aos y las principales recomendaciones surgidas de esta experiencia, as como la problemtica ms comn encontrada* Ribera de Axpe5, 48950 Erandio, Espaa. josa@iberdrola.es

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INCREMENTO DE POTENCIA

La capacidad entregable del circuito de la transmisin se mide en unidades de MVA. Puesto que potencia es el producto voltios por amperios, la capacidad aumenta entre dos puntos terminales en una red de aumentando el voltaje o la intensidad, o ambos una lnea. Los aumentos significativos y coincidentes en voltaje y intensidad de una lnea existente requieren el reemplazo de conductores y de estructuras. Esto es un asunto costoso y asciende generalmente al reemplazo completo de la lnea existente por una nueva. Es decir, la nica caracterstica conservada de la lnea existente es su derecho de paso. Adems, muchos territorios estn regidos por leyes que restringen o previenen ciertos tipos de cambio y por lo tanto tambin eliminan muchas opciones. Esto significa que, generalmente, los aumentos rentables de la capacidad se alcanzan en lneas existentes aumentando el voltaje o la intensidad, pero no ambos. En cualquier caso, uno de los objetivos importantes que siempre deben buscarse en cualquier repotenciacin es el incremento mnimo de las prdidas de transporte, para lo cual se pueden emplear distinta posibilidades: El incremento de la tensin de operacin. Solucin idnea desde el punto de vista de las prdidas, dado que colabora en su reduccin. No obstante, no siempre es posible dado que implica cambios en las subestaciones extremas con los consiguientes aumentos (importantes) de inversin a ejecutar. Implica principalmente la actuacin sobre el aislamiento de la lnea, con el objetivo de incrementar su nivel nominal manteniendo constantes en la medida de lo posible el resto de parmetros mecnicos y constructivos de la misma. Incremento de subconductores por fase. De ejecucin compleja por el consiguiente esfuerzo de ingeniera y desarrollo del refuerzo mecnico de las instalaciones. Tiene a ventaja de mantener o incluso reducir las prdidas de operacin en coste razonable de la inversin. Sustitucin de conductores por otros de altas prestaciones. El problema de esta tcnica, que, no obstante, debe considerarse una solucin adecuada, es que el incremento de temperatura de operacin que permite aumentar la capacidad de transporte de la lnea implica, consecuentemente, el incremento de las prdidas del sistema. Sin embargo, y a pesar de que no existen contratistas entrenados en el montaje de este tipo de conductor, dada la relativa poca experiencia en Europa hasta el momento, el uso de esta tecnologa permite alcanzar incrementos de capacidad del 70%, si bien con el incremento de las prdidas asociadas. No obstante su rentabilidad est asegurada en casos de coste/oportunidad dadas las facilidades administrativas: su tramitacin es ms corta, la servidumbre est consolidada y puede ser abordada su ejecucin como un trabajo de mantenimiento, lo que implica una importante reduccin de plazos en la implantacin del diseo. Otra opcin es la adicin de un circuito, si bien solo es posible agregar un circuito a una lnea existente sobre un derecho de paso existente si originalmente las lneas fueron diseadas para tal contingencia. Para hacer frente al refuerzo de lneas areas existentes una solucin es el paso a conductor dplex, con el consiguiente reingeniera de la lnea, cambio de apoyos y ejecucin de obra civil en algunos casos. Una opcin simple y atractiva para entregar ms energa entre los terminales es la adicin de un circuito. Es posible agregar un circuito a una lnea existente sobre un derecho de paso existente, si las lneas fueron diseadas para tal efecto. Los primeros constituyen el refuerzo de una lnea en comparacin con un circuito. El ltimo constituye el refuerzo de un derecho de paso, en comparacin con el refuerzo de una lnea o el refuerzo de un circuito. Cada una de estas opciones puede producir aumentos de la capacidad muy significativos dependiendo de las condiciones existentes y a las polticas asociadas a la operacin y mantenimiento de la misma. Otra solucin es la actuacin sobre el aislamiento de la lnea con el objeto de incrementar su nivel nominal manteniendo constantes, en la medida de lo posible, el resto de parmetros mecnicos y civiles de la misma. Las ventajas que se obtienen con la repotenciacin de una lnea consisten en disponer una mayor aceptacin social, al mismo tiempo que se aprovecha completamente el pasillo creado por la lnea existente para la construccin de la nueva, sin necesidad de establecer nuevas servidumbres. 3 SOLUCIONES BASADAS EN TENSIN

La operacin de una lnea en un nivel de tensin ms elevado es una manera muy eficaz de aumentar la capacidad de la transporte. Adems, las prdidas se ven reducidas por este aumento.2

Sin embargo, el aumento del voltaje requiere algunas condiciones: Distancias de seguridad y al terreno Distancias entre fases y fase a tierra Requerimientos de aislamiento Campo elctrico sobre el conductor En este sentido, Iberdrola Ingeniera y Construccin ha finalizado el estudio y elaboracin del proyecto constructivo para el upgrading o repotenciacin a 220kV de la lnea de transmisin elctrica que enlaza las subestaciones de Jijona y la Montebello. Esta lnea est actualmente funcionando a un nivel de tensin de 132 kV alimentando a la subestacin de La Nuca. Con el cambio de tensin previsto en el proyecto, se aumentar en un 67 % la potencia nominal de la lnea. La lnea existente tiene una longitud de 32 km y discurre ntegramente por la provincia de Alicante. Anteriormente ya se haba realizado un cambio de conductor en esta lnea, pasando de simplex Hen a dplex Hawk y aumentando su capacidad de transporte.

Fig. 1 repotenciacin lnea Jijona - La Nuca a 220 kV Este proyecto se enmarca dentro de un paquete de repotenciaciones que nuestra empresa va a llevar a cabo y que permitir ofrecer soluciones a las actuales demandas del sistema elctrico. Este sector ha experimentado un continuo crecimiento, especialmente acelerado en los ltimos aos, y aunque se han construido nuevas centrales de generacin, las lneas elctricas se encuentran cerca de su lmite de saturacin. En el diseo de la lnea se han considerado los siguientes aspectos: aislamiento, efecto corona, geometra de la lnea y nuevos esfuerzos en los apoyos. Los principales problemas se dan en los apoyos de suspensin en los que ha sido necesaria la sustitucin de las crucetas de celosa metlica actuales por crucetas aislantes giratorias, evitando as el balanceo debido al viento y aumentando la altura de los conductores sobre el terreno, compatibilizando la geometra existente al nuevo nivel de tensin. Tambin es necesario reforzar las estructuras y cimentaciones en algunos casos, compatibilizando la geometra existente al nuevo nivel de tensin. Algunos de los trabajos se realizarn en proximidad y con la lnea en servicio, como el refuerzo de la estructura y cimentaciones, y otros con paradas de corta duracin, como la sustitucin de las cabezas de las torres, el cambio de crucetas y la reposicin de los conductores en la nueva estructura. 4 SOLUCIONES BASADAS EN CORRIENTE

Las soluciones basadas en intensidad estn disponibles en dos tipos bsicos. En primer lugar estn los mtodos basados en operacin, que emplean los procedimientos en los que se hace un uso ms frecuente de la capacidad de emergencia variable de los conductores existentes teniendo en cuenta los requisitos del tiempo/meteorologa o de la variabilidad carga. Sin embargo, la opcin ms utilizada generalmente, es la basada en la actuacin sobre el conductor. En este caso, los aumentos de intensidad se alcanzan a travs de los siguientes mtodos: 1) Conservar el conductor 2) Sustitucin del conductor3

4.1 Conservar el conductor Este procedimiento es atractivo para aumentos modestos de potencia y con poca disponibilidad de recursos o actuaciones. El reemplazo del conductor es costoso especialmente cuando no se conceden los descargos para realizar los trabajos. En este caso el procedimiento consiste en aumentar la temperatura de funcionamiento del conductor a u nuevo lmite superior. Esto implica un aumento termal mximo de la catenaria y una disminucin de la separacin al suelo. Tambin puede darse la situacin en que la capacidad termal del conductor no est completamente utilizada. Como tcnicas para mantener las distancias del conductor al terreno pueden emplearse: Retensado de conductores. Cambio de la tensin de uso y aprovechamiento de la fluencia con el tipo del conductor. La ganancia obtenida es pequea. Recrecido de apoyos. Tcnica principal que consiste en introducir en la parte inferior de los apoyos tramos prismticos que permiten la reutilizacin completa, tanto de la estructura pre-existente como de sus cimentaciones sin modificacin. La reglamentacin espaola vigente (en proceso de modificacin) establece temperaturas de funcionamiento de 50C, si bien a lo largo del tiempo ha ido modificndose este lmite en el diseo de nuevas lneas pasando por 65C, 75C hasta los actuales 85C de diseo de las nuevas lneas. Cualquier diseo de repotenciacin de lneas tiene por objetivo el lmite de 85C como situacin alcanzable en nuevos diseos, si bien en tcnicas como a la que nos estamos refiriendo no siempre es alcanzable sin cambios estructurales relevantes.

Fig. 2 Recrecido de apoyo 220kV 4.2 Sustitucin del conductor El cambio del conductor por otro convencional de mayor potencia es una opcin atractiva si la lnea se opera en su lmite termal, las distancias al terreno estn cerca del mnimo legal o los cambios de la estructura son extensos y costosos. No obstante, la lnea debe contar con una reserva de esfuerzos mecnicos en sus estructuras para poder llevar un conductor ms grande y ms pesado. Sin embargo, algunos tipos de conductor estndar que ofrecen un rating termal ms alto quedan limitados dramticamente, puesto que requieren grandes cambios en la estructura que son muy costosos. Por lo tanto, la opcin baja inversin dentro de esta categora puede ser sustituir el conductor existente por un conductor de altas prestaciones y de baja flecha, que minimizan los requerimientos mecnicos. 4.2.1 Conductores convencionales

Este mtodo consiste en la sustitucin o adicin de un subconductor adicional. Generalmente, se realiza una modificacin de circuito a dplex sobre la lnea existente. Esta opcin consiste en realizar el cambio del conductor actual, por otro en forma de haz de conductores tipo dplex (dos subconductores por fase) de forma que se duplica la potencia admisible en la lnea.4

Como ventajas de este tipo de conductores cabe destacar que las prdidas son mucho menores que la existentes en el cable de alta capacidad, la mayor facilidad de tendido y mantenimiento de los mismos. Como desventajas cabe destacar la mayor inversin de instalacin y la mayor complejidad de la obra debido al refuerzo de apoyos y cimentaciones, incluyendo la necesidad de obtener licencias de obra (debido a los trabajos de obra civil requeridos), nuevos permisos de propietarios (tanto por el incremento en la anchura de vuelo debido al duplex, como por acceso, daos de la obra civil), autorizacin de proyecto administrativo, etc. As mismo, deben verificarse las distancias de seguridad del conductor sobre posibles construcciones que se hayan realizado bajo la lnea para ver la necesidad de algn recrecido puntual de apoyos. En concreto, y para una lnea de 132 kV con conductor Hawk, se tienen los siguientes datos de potencia e intensidad transmitida para ambos conductores y por circuito (condiciones 22C y velocidad de viento 1m/sg): Tabla I. Caractersticas de Potencia CONDUCTOR Temperatura Ampacidad Potencia Repotenciacin Conductor (C) (A) (MVA) (%) 50 C 585 A 133,75 MVA 100,00 % Hawk 50 C 1.170 A 267,50 MVA 200,00 % Duplex - HAWK La experiencia de en este campo ha sido elevada, puesto que se han efectuado actuaciones en los ejes del mediterrneo de 132kV sobre las siguientes lneas: Tabla II. Lneas de 132kV modificadasL/132kV Jijona-Benidorm Alcira-Ganda Jijona-La Nuca La Nuca-Teulada Teulada-Oliva Ao Origen 1.964 1.963 1.989 1.987 1.977 Longitud 30,20 km 32,16 km 37,23 Km 23, 50 km 33,80 km Conductor/ C.T. Hen / Ac-50 Hen / Ac-50 Hawk / Ac-50 Hen / Ac-50 Hen / Ac-50 N Cruzamientos 72 100 75 160 137

La situacin de partida era que exista un gran aumento de la demanda elctrica en los ltimos aos en la zona de la Costa Blanca, los retrasos en la tramitacin y construccin de nuevas lneas eran considerables y era necesario tomar medidas urgentes para atender a la demanda. Por ello, el planteamiento de soluciones pas por el estudio sobre posibles medidas a corto plazo para aumentar la capacidad de transporte en lneas existentes y el resultado fue el aumento de la capacidad de transporte mediante cambio de conductor a duplex Hawk.

Fig. 3 Actuaciones sobre las lneas 132kV Existi la necesidad de caracterizar completamente el estado de partida de las lneas como base para el diseo de la solucin, puesto que se trataba de lneas antiguas y no estaba disponible toda la informacin necesaria. Los medios utilizados para tal efecto fue la recopilacin de informacin de partida (proyectos originales, perfiles topogrficos, planos de detalle de apoyos, etc.), estudios topogrficos y medidas sobre elementos constructivos existentes.5

La secuencia seguida para obtener la solucin estructural fue, inicialmente analizar el perfil y determinacin de solicitaciones de cada apoyo, identificando los puntos conflictivos y determinando la traccin de tendido. Posteriormente se diseo el refuerzo de la estructura metlica, y de cimentaciones necesarios. Las soluciones adoptadas en el refuerzo de apoyos fueron tanto la instalacin de dobles montantes omo el arriostramiento de encuadramientos inferiores y la sustitucin de algunas diagonales.

Fig. 4 Refuerzo de apoyos Por otro lado, las soluciones adoptadas en el refuerzo de cimentaciones fue disear dos tipos bsicos, ambos pensados para que durante su ejecucin las cimentaciones siguiesen trabajando

Fig. 5 Refuerzo de cimentaciones: Losa nica aligerada y Refuerzos independientes De esta forma se lograron los requisitos del cliente de mnimo incremento en las servidumbres, mnimo impacto ambiental y rapidez de ejecucin. Adicionalmente, se aument considerablemente el ciclo de vida. Estos trabajos se realizaron con fuertes restricciones de ejecucin y plazos muy reducidos, pero se logr modificar 123km de lneas en 110 das efectivos de trabajo de campo sin incidentes reseables. Adicionalmente, se han realizado actuaciones semejantes sobre el eje del mediterrneo de 220kV en las siguientes lneas: Fausita Hoya Morena SC San Vicente Jijona San Vicente Saladas Hoya Morena - San Pedro del Pinatar Campoamor - Rojales En este caso, los trabajos consistieron en la sustitucin del conductor simplex Condor a un dplex Gull a los largo de 79km de lnea. Por lo tanto, este tipo de soluciones constituye una buena alternativa para incrementar la capacidad ante la imposibilidad de construir nuevas lneas.

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Fig. 6 Ejecucin de trabajos sobre lneas del eje del mediterrneo 132kV y 220kV 4.2.2 Conductores de altas prestaciones

Los conductores de alta capacidad y baja flecha aunque mantienen las dimensiones similares al conductor convencional ACSR, consiguen aumentar su capacidad de transporte a base de aumentar su temperatura, pero manteniendo en todo momento las distancias de seguridad, al presentar menores flechas en la mismas condiciones de temperatura, con la restriccin de unas mayores prdidas. Este tipo de conductores se vienen empleando desde hace tiempo en Estados Unidos y en Japn; en el ao 2005 y 2006 se ha venido desarrollando una nueva variante (GTTACSR) de este tipo de conductor, as como los ya existentes GTACRS y ZTACIR, en Espaa, a travs de empresas nacionales. En el marco de un proyecto de I+D, se ha caracterizado mecnica, elctrica y trmicamente el conductor GTTACSR, llevando a cabo ensayos de laboratorio y aplicando dichos resultados al caso de una lnea de 30kV, propiedad de Iberdrola Distribucin, que se encuentra operando en condiciones prximas a saturacin y aumentando en un 60% la capacidad de transporte de la lnea. As mismo, ha servido para definir con precisin, la ingeniera, procedimientos de construccin y montaje, el comportamiento en explotacin de los conductores y el equipamiento asociado: dispositivos y proceso de tendido, anlisis de grapas, estudio de ruidos e interferencias, anlisis de vibraciones, etc. El conductor est constituido por un tubo de aluminio extruido (tipo TAL) conteniendo en su interior un alma de ACS de alta resistencia (aluminium clad steel, es decir, ARL acero recubierto de aluminio), que posee libertad de desplazamiento dada su construccin holgada y se encuentra protegido con una grasa de propiedades adecuadas a su uso. Sobre el tubo de aluminio, se encuentra cableada una capa de alambres metlicos compuesta por alambres de aluminio (tipo TAL).

Fig. 7 Conductor GTTACSR Inicialmente se realizaron una completa serie de simulaciones, ensayos y pruebas de campo de conductores de altas prestaciones trmicas y baja flecha, que han consistido en: Ensayos de laboratorio de propiedades elctricas, mecnicas y trmicas de los conductores. Estos ensayos han permitido analizar la interrelacin de los parmetros fundamentales, tales como resistencia elctrica, flecha, temperatura, etc. Pruebas de campo mediante la ejecucin de un vano de prueba sobre el que instalar los conductores y definicin de las pruebas de campo sobre un tendido real. Como parte de la caracterizacin del conductor, se realizaron pruebas de calentamiento sobre muestras de un Conductor ACSR Hen y su equivalente de baja flecha, el GTTACSR-269. La prueba comprendi en un vano de 44,4 metros con un EDS del 20%, as como los herrajes y aisladores necesarias, que fueron conectados en ambas extremos a un transformador de potencia. El proceso de calentamiento se realiz por medio de la7

corriente que fluye en el conductor, con valores desde 200A a los 700A. Mientras tanto, fueron supervisados los parmetros fundamentales, como la temperatura ambiente, la fuerza y la flecha del conductor. El siguiente cuadro muestra las caractersticas de ambos conductores: Tabla III. Comparativa de caractersticas Seccin ACSR HEN GTTACSR 269 297,6 mm2 312,8 mm2 Dimetro 22,4 mm 23,1 mm Densidad 1108 Kg/Km 1087 Kg/Km Tensin 10590 daN 10965 daN Resist. Elect. (20C DC) 0,1194 ohm/Km 0,1075 ohm/Km

Los resultados de dicha prueba quedan reflejados en la siguiente grfica: ACSR HEN - GTTACSR 269

Flecha (mm)

Temp.

Tensin (kg)

---- GTTACSR Tensin

---- GTTACSR Flecha

---- ACSR HEN Flecha ---- ACSR HEN Tensin

Fig. 8 Comparativa de parmetros y conductores Posteriormente se realiz la actuacin sobre una instalacin real. Para ello, se llevo a cabo la sustitucin del conductor de una lnea doble circuito 30kV. Los trabajos se realizaron en tensin en uno de los circuitos, es decir, manteniendo el circuito anexo en servicio, incrementando la dificultad de los trabajos. As mismo, el rango de vanos de esta lnea es muy amplio: 25 550 m, que unido a la ubicacin de la lnea en un entorno demandante, caracterizaron todas las actuaciones necesarias para llevar a cabo los trabajos de construccin y montaje. La monitorizacin y el seguimiento exhaustivo de la variacin de los parmetros fundamentales tales como flechas, ampacidad, temperaturas conductor, etc., en funcin de las diferentes condiciones ambientales y del estado de carga de la lnea, ha permitido adquirir un nuevo conocimiento que podr ser posteriormente aplicado por las empresas relacionadas con el transporte y distribucin de energa elctrica, empresas de montaje de instalaciones elctricas y fabricantes de conductores, cadenas de aisladores y sistemas de amarre. El xito del conductor ha sido muy claro y los ensayos y prueba real en campo han demostrado su rendimiento y rentabilidad econmica, sin embargo hay que seguir trabajando ya que existen dobles circuitos en AT y MT diseados as por garanta de suministro, de tal forma que cada lnea soporta la carga del conjunto.

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