líneas de transmisión portafolio transporte 1120
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En principio se debe tener claro aspectos como el punto de inicio y el punto final de
la línea, los voltajes normalizados (115kV, 220kV, 230kV, 500kV), la potencia a
transmitir, y los accesos u obstáculos.
Como ejemplo para algunos parámetros se tomará el diseño de una línea de
transmisión para conectar el municipio de Tauramena con el municipio de Aguazul,
teniendo en cuenta la resolución 025 de 1995 de la CREG y las indicaciones dadas
por la docente de la asignatura de Transporte de energía eléctrica.
La potencia a entregar al municipio de Aguazul será de 100MW, con una tensión de
220KV y siguiendo los lineamientos establecido en la CREG 025 la línea de
transmisión será de doble circuito.
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Metodología para el diseño de una
línea de transmisión
Recopilación de información cartográfica para establecer la ruta mas optima
siguiendo los lineamientos de las leyes y decretos que rigen el diseño de una
línea de transmisión, estableciendo los criterios necesarios para el modelado
mecánico y eléctrico de la línea de transmisión.
A continuación se presentará un mapa regional de la zona que se ha tomado
como ejemplo, en el cual se puede apreciar la distancia existente entre los
dos municipios a interconectar. Cabe aclarar que se utilizará el método de
CONESA y su código de colores para los mapas en cuanto a susceptibilidad
ambiental.
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Figura 1. Mapa regional. Tomado de Google Earth
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INFORMACIÓN RECOPILADA PARA EL
RUTEO, MODELO CLIMÁTICO Y CÁLCULOS
ELÉCTRICOS Es necesario obtener los mapas de la región que describan sus
características, como lo son:
Líneas de vuelo
Temperatura y humedad
Cartografía básica del terreno
Uso del sueño
Precipitaciones
Gasoductos y oleoductos
Mapas referentes a las zonas con conflicto armado.
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La información correspondiente para la elaboración de los mapas puede ser
obtenida de las siguientes organizaciones:
IGAC
ECOPETROL
GOOGLE EARTH
IDEAM
A continuación, a manera de ejemplo, se muestran los mapas elaborados
para la región analizada, y el mapa resultante para el trazado de la línea.
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CARTOGRAFIA
BASICA
Figura 2. Mapa de cartografía básica. Tomado de IGAC
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Figura 3. Mapa cartografía básica con relieve. Elaborado por los autores.
CARTOGRAFIA
BASICA CON
RELIEVE
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MAPA DE
SUELOS Y
AGROLOGIA
Figura 4. Mapa de suelos y agrología. Elaborado por los autores.
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MAPA
CLIMATOLOGICO
Figura 5. Mapa climatológico. Elaborado por los autores.
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MAPAS DE
LINEAS DE
VUELO, ZONA
ROJA Y RIESGO
SISMICO
Figura 6. Mapa de líneas de vuelo, zona roja y riesgo sismico. Elaborado
por los autores.
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MAPA DE
OLEODUCTOS Y
GASODUCTOS
Figura 7. Mapa de oleoductos y gasoductos. Elaborado por los autores.
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MAPA DE
POBLADOS Y
SOCIO-
ECONOMICOS.
Figura 8. Mapa de poblados y socioeconómicos. Elaborado por los autores.
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Teniendo en cuenta los mapas elaborados y la información disponible de los
municipios para el trazado de la ruta de la línea de transmisión, se consideran todas las
restricciones que nos entregan los mapas, presentando en el siguiente mapa el
camino que deberá tener la ruta (sin considerar el perfil de elevación que será un
parámetro que afectará específicamente la ruta real establecida).
MAPA DE
SELECCIÓN DE
RUTA
Figura 9. Mapa de selección de ruta. Elaborado por los autores.
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Luego de tener el camino presentado por los mapas anteriores, se realizan
varios trazados de rutas que sigan dicho camino, y entre estos se escoge la
ruta para hacer el trazado de la línea. Cabe aclarar que la idea es escoger la
ruta que sea tanto mas corta, como que tenga menos cambios bruscos o
abruptos en su perfil de elevación, para que así se incurran en menos costos y
el impacto ambiental sea mitigado lo más posible.
A continuación se presentará un ejemplo para la selección de la ruta
teniendo varias alternativas.
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POSIBLES RUTAS PARA EL TRAZADO DE
LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN
Ruta posible
numero1.
Longitud línea
de transmisión:
39Km
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POSIBLES RUTAS PARA EL TRAZADO DE
LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN
Ruta posible
numero2.
Longitud línea
de transmisión:
39.7Km
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POSIBLES RUTAS PARA EL TRAZADO DE
LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN
Ruta posible
numero3.
Longitud línea
de transmisión:
38,8Km
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POSIBLES RUTAS PARA EL TRAZADO DE
LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN
Ruta posible
numero4.
Longitud línea
de transmisión:
37.3Km
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De las alternativas de rutas presentadas anteriormente, se escogió la ruta numero 4(representada con color rojo) debido a que es la que posee menor cantidad decambios fuertes en su perfil de elevación, y debido también a que es la ruta mas corta,por lo que se incurrirían en menor cantidad de costos en cuanto a montaje y operación.
Adicionalmente, al no tener cambios fuertes en su perfil de elevación, los esfuerzosmecánicos a los cuales estarán sometidas las torres serán menores. Para la rutaseleccionada en este ejemplo no se consideró que se debe explorar el territorio paraevaluar los posibles obstáculos que se presenten, para el diseño de un proyecto eselemental considerar esto debido a que puede afectar la ubicación real de los apoyos.
Es en este punto donde se inicia un estudio de impacto ambiental, el cual debe concluirque el impacto que se genera en la zona debido a la construcción y operación de lastorres se encuentra dentro de los parámetros establecidos por las leyes correspondientesy no tiene un impacto significativo en el Plan de Ordenamiento Territorial (POT) ni en elPlan de Desarrollo Municipal (PDM) de los municipios involucrados en el proyecto. Alescogerse esta ruta, se realiza el menor impacto posible en la zona.
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RUTA SELECCIONADA
Ruta
seleccionada.
Longitud línea
de transmisión:
37.3Km
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CONDUCTORES SELECCIONADOS Y
CABLES DE GUARDA Para establecer los conductores necesarios para las fases de la línea esnecesario tener presentes los siguientes criterios:
Criterio de ampacidad (definido por la IEEE 738 de 2012).
Criterio de límite de regulación.
Criterio de estabilidad.
Capacidad y perdidas por efecto corona.
Criterio de caída de tensión.
Luego de realizar los cálculos respectivos, se selecciona el conductor enalgún catálogo de los distribuidores de este, como lo es Procables y el enlacees el siguiente:
http://www.procables.com.co/downloads/procables_catalogoproductos_2014_web.pdf
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Si se quiere realizar el cálculo de los criterios anteriormente mencionados, en
el siguiente link se puede calcular el de caída de tensión:
http://www.procables.com.co/programa-para-calculo-de-caida-de-
tension.html
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ESTRUCTURAS SELECCIONADASEn este punto, para el diseño de las estructuras, se tienen que tener en cuentamuchos elementos que convergen, como lo son:
Asignación del vano básico de diseño.
Relación vano-peso y vano-viento.
Ángulos de balanceo (sacados del balanceo o viento medio).
Modelo climático (Vel. Máxima del viento, vel. Máxima recurrente, vientomedio, condición de carga diaria, condición de temperaturas frías o cálidas).
Selección del conductor.
Cálculos mecánicos.
Una vez se realizaron los modelos de estructuras, se pueden tener dos resultadoslos cuales son: el árbol de cargas y la altura básica de la estructura (influye en eldiseño de aislación de la línea).
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DISEÑO DE AISLACIÓN
Para realizar el diseño de aislación de las líneas de transmisión, se debentener en cuenta dos aspectos generales:
Cálculo del número de aisladores.
Distancias mínimas de seguridad, dentro de las cuales están:
Distancia mínima en condición normal, de emergencia y extrema.
Distancia entre fases.
Distancia entre el conductor y el cable de guarda.
Entre otros.
Finalmente, al obtener estos cálculos junto con la altura básica de laestructura, se puede realizar la geometría básica de las estructuras y susplanos correspondientes.
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COSTOS DE ESTRUCTURAS
Debido a que es un punto en el cual confluyen muchos elementos
anteriormente calculados, para poder realizar el costo de las estructuras se
deben tener en cuenta:
Árbol de cargas.
Elaboración de los planos con geometría básica.
Diseño de estructuras del posible fabricante.
Costo por montaje e instalación.
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DISTRIBUCIÓN ÓPTIMA DE ESTRUCTURAS
(implementación en el software DLTCAD)
La distribución óptima de las estructuras, debido a que se hará en el programa deDLTCAD, se tendrán en cuenta los siguientes aspectos:
Árbol de cargas.
Modelo climático.
Topografía (adquisición de puntos o coordenadas causando el menos impactoambiental).
Costos de las estructuras.
Con la implementación del software DLTCAD, es posible realizar el diseño delproyecto de la línea de transmisión considerando absolutamente todo losparámetros y variables posibles. Así mismo este software entrega los cálculoscorrespondientes a los esfuerzos mecánicos a los cuales están sometidas lasestructuras de apoyo. Para el aprendizaje del uso de este software en el siguiente linkse encuentran los pasos necesarios a realizar:
https://www.youtube.com/watch?v=r6PgNQOzzig
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Una vez se tenga este modelo, se pueden realizar las especificaciones
técnicas de los materiales para la construcción, la cuantificación de dichos
materiales y presupuesto total para la construcción de la línea, así finalmente,
presentarlo todo en un informe final a las autoridades correspondientes.
Como se puede observar, realizar el diseño de una línea de transmisión en
Colombia no es una tarea sencilla, y es por esto que solo el personal
capacitado (ingenieros eléctricos y mecánicos) está en la capacidad de
realizarlo, debido a lo complejo y a la cantidad de variables que se deben
tener en cuenta a la hora de desarrollar un proyecto de tal magnitud.
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Fórmulas para los cálculos y criterios
mencionados:
Criterio de Ampacidad: Norma IEEE 738 disponible en IEEExplore.
Criterio de estabilidad: 𝑽𝟏 ∗ 𝑽𝟐
𝒙∗ 𝐬𝐢𝐧𝟑𝟎
Pérdidas por efecto corona: 𝑽𝒄 =𝟐𝟗.𝟖
𝟐∗ 𝟑 ∗ 𝑴𝒄 ∗ 𝑫𝑹𝑨 ∗ 𝑴𝒕 ∗ 𝑹𝑴𝑮 ∗ 𝒏 ∗ 𝐥𝐧
𝑫𝑴𝑬
𝑹𝑴𝑮
Siendo Mc el coeficiente de rugosidad del conductor, DRA densidad relativa del aire, Mt coeficiente teniendo en cuenta al mal tiempo o la lluvia, RMG radio medio geométrico, n el número de conductores por fase, DME diámetro medio equivalente.
Pérdidas por Joule en un año: 𝑷𝑱 = 𝟑 ∗ 𝑰𝟐 ∗ 𝑹 ∗ 𝟖𝟕𝟔𝟎𝒉𝒐𝒓𝒂𝒔
𝒂ñ𝒐∗ 𝑭𝑫𝑷
𝑭𝑫𝑷 = 𝟎. 𝟕 ∗ 𝑭𝒄𝟐 + 𝟎. 𝟑 ∗ 𝑭𝒄 siendo Fc el factor de carga.
Criterio de regulación: 𝟎. 𝟗 ≤ 𝑽 ≤ 𝟏. 𝟏𝟎% para 𝑽 < 𝟓𝟎𝟎𝒌𝑽.
𝟎. 𝟗 ≤ 𝑽 ≤ 𝟏. 𝟎𝟓% para 𝑽 ≥ 𝟓𝟎𝟎𝒌𝑽.
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Cálculo del cable de guarda: 𝑻𝒄𝒈 =𝑾𝒄𝒈∗𝑻𝒄
𝟎,𝟖∗𝑾𝒄en donde Tcg es la tensión del
cable de guarda, Wcg el peso del cable de guarda, Wc peso del conductor de fase y Tc tensión del conductor de fase.
Estructuras seleccionadas:
Fuerza debido al peso del conductor: 𝑭𝒑 = 𝜹 ∗ 𝑺 ∗ 𝟏𝟎−𝟑
Siendo δ la densidad del material y S la sección transversal del conductor.
Fuerza debido al peso del hielo: 𝑭𝒉 = 𝟎. 𝟕𝟖𝟕 ∗ 𝑫𝟐 − 𝒅𝟐 ∗ 𝜹 ∗ 𝟏𝟎−𝟑
Siendo D= d+2t, d el diámetro del conductor, t el espesor del maguito de hielo, δ la densidad del hielo y S la sección del conductor.
Fuerza debido al viento: 𝑭𝒗 = 𝑷𝒗 ∗ 𝒅 + 𝟐𝒕 ∗ 𝒌𝟏 ∗ 𝒌𝟐 ∗ 𝟏𝟎−𝟑
Siendo Pv la presión del viento, d el diámetro del conductor, t el espesor del manguito de hielo, K1 factor de arrastre de 1,1 (para conductores cilíndricos), K2 factor de ráfaga (varía entre 1.07 y 2,2).
Aislamiento:
Densidad de rayos Ng: 𝑵𝒈 = 𝟎, 𝟏𝟐 − 𝟎, 𝟐 ∗ 𝑵𝒄 según la CIGRE
𝑵𝒈 = 𝟎, 𝟎𝟒 ∗ 𝑵𝑪𝟏.𝟐𝟓 según la IEEE
Siendo Nc la el nivel ceraúnico (Número de días tormentosos en un año).
Nivel de aislamiento: 𝑵𝒊𝒗𝒆𝒍 𝒅𝒆 𝒂𝒊𝒔𝒍𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐 =𝑫𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒅𝒆 𝒇𝒖𝒈𝒂∗# 𝒅𝒆 𝒂𝒊𝒔𝒍𝒂𝒅𝒐𝒓𝒆𝒔
𝒌𝑽𝒎𝒂𝒙 𝒅𝒆 𝒐𝒑𝒆𝒓𝒂𝒄𝒊ó𝒏
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