PROYECTO COMPLEJO TERMOELÉCTRICO CASTILLA

COPIA A:

Unidad Cantidad

LÍNEAS 2x220 kV, S/E PUNTA CACHOS – S/E CASTILLA

Dirección T&D 1

Dirección GEN 0 CARACTERÍSTICAS DEL CABLE DE GUARDIA

Dirección ITO 0

Of. Comercial 0

Aprobado por:

ARTURO GAJARDO V

Revisado por:

CARLOS ARELLANO M

MARIO CARDOZA P

TOTAL 1

Preparado por:

CRISTIAN CLAVERÍA H

N° de Documento

DI-MPX-01-ITE-004

Revisión:

Rev. A: 11 de Julio del 2008

Cliente / Mandante:

MPX ENERGIA DE CHILE LTDA

Caracte

rísticas Cab

le de

Guardia tipo O

PGW – Línea

s 2x 220

kV S

/E P

unta Cacho

s – S/E C

astilla DI-M

PX-01

-ITE-004

Rev.A

1-12

PROYECTO COMPLEJO TERMOELECTRICO CASTILLA LÍNEAS 2x220 kV, S/E PUNTA CACHOS – S/E CASTILLA

INFORME TÉCNICO CARACTERÍSTICAS CABLE DE GUARDIA TIPO OPGW

ÍNDICE

CLÁUSULA MATERIA PÁGINA

1. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ............................................................................................2

2. OBJETIVO Y ALCANCES .......................................................................................................2

3. ANTECEDENTES BÁSICOS DISPONIBLES...............................................................................2

4. CAPACIDAD DE CORRIENTE POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS. ...................................3

4.1 CALCULO DEL NÚMERO DE DESCARGAS EN LA LÍNEA. ..................................................3

4.2 CALCULO DE LA CORRIENTE DE RAYO. .............................................................................6

4.3 CALCULO DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA. ..............................................................8

5. SECCIÓN MÍNIMA DEL CABLE OPGW ................................................................................9

5.1. SECCIÓN MÍNIMA POR CORTOCIRCUITO..........................................................................9

5.2. SECCIÓN MÍNIMA POR CORRIENTE DE DESCARGA ATMOSFÉRICA .............................10

6. CARACTERÍSTICAS CABLE DE GUERDIA OPGW...............................................................11

7. CONCLUSIÓN......................................................................................................................12

Caracte

rísticas Cab

le de

Guardia tipo O

PGW – Línea

s 2x 220

kV S

/E P

unta Cacho

s – S/E C

astilla DI-M

PX-01

-ITE-004

Rev.A

2-12

PROYECTO COMPLEJO TERMOELECTRICO CASTILLA LÍNEAS 2x220 kV, S/E PUNTA CACHOS – S/E CASTILLA

INFORME TÉCNICO CARACTERÍSTICAS CABLE DE GUARDIA TIPO OPGW

1. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

El proyecto complejo termoeléctrico Castilla considera en su primera etapa, la construcción de una línea de transmisión de doble circuito en 220 kV con dos (2) conductores por fase, la cual interconectará la subestación Punta Cachos ubicada en la localidad de Punta Cachos de Bahía de Salado y la subestación Castilla. Ambas subestaciones están ubicadas en la hacienda Castilla a unos 40 km al suroeste de Copiapó en la III Región geográfica de Chile.

En su segunda etapa, el proyecto considera la construcción de otra línea de transmisión de las mismas características que la anterior y paralela al trazado de la primera, las cuales a futuro serán parte de los cuatro (4) circuitos de la central a carbón que MPX Energía de Chile construirá en la localidad de Punta Cachos la cual será de una potencia de 2100 MW con un factor de potencia de 0,85.

Estas líneas de transmisión cuentan con una longitud aproximada de 55 km y el nivel de transferencia de potencia será de unos 618 MVA por circuito.

2. OBJETIVO Y ALCANCES

En este documento se indican las características básicas que deberá cumplir el cable de guardia tipo OPGW, de cableado concéntrico, que será utilizado en la línea S/E Punta Cachos – S/E Castilla, para soportar una corriente de descarga atmosférica sobre la línea.

3. ANTECEDENTES BÁSICOS DISPONIBLES.

“Redes de energía eléctrica”, publicado por la Subgerencia de Producción de Endesa en 1982.

Catálogos técnicos de cables tipo OPGW.

Alambres de acero recubiertos con aluminio, antes del cableado, Norma ASTMB 415.

U.I.T. (Unión Internacional de Telecomunicaciones: ITU en inglés) ex CCITT.

I.E.C.

I.E.E.E. STD 1138.

Caracte

rísticas Cab

le de

Guardia tipo O

PGW – Línea

s 2x 220

kV S

/E P

unta Cacho

s – S/E C

astilla DI-M

PX-01

-ITE-004

Rev.A

3-12

4. CAPACIDAD DE CORRIENTE POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.

Las corriente de una descarga atmosférica es un parámetro cuyos valores tanto en intensidad como en frente de onda son variables y de carácter probabilística, es decir, son mas probables las corrientes de descarga relativamente débiles y menos probables las de gran intensidad y con frentes de onda mas escarpados.

Para poder proteger la línea frente a una de estas descargas, en primer lugar se deberá conocer la intensidad de corriente que probablemente impactara a esta, obteniendo este valor se determinaran las características principales que deberá tener el cable de guardia tipo OPGW para soportar dicha corriente y poder así proteger exitosamente la línea.

4.1 CALCULO DEL NÚMERO DE DESCARGAS EN LA LÍNEA.

Se comprobado que el número de descargas por Kilómetro cuadrado al año (N) ha sido estimado como proporcional al nivel ceráunico de la zona donde se emplaza la línea como se muestra en la siguiente ecuación:

TN

TN = [1]

Donde:

=N Numero de Descargas por 2km por año.

=T Nivel Ceráunico.

=TN Constante, igual a 5.

Para determinar dicho valor, se tomara como dato el nivel ceraunico de la zona por donde pasa la línea que, de acuerdo a los antecedentes suministrados a través de la Publicación del Comité Coordinador de Hidrometeorología “Climatología en Chile – Período 1916-1945”, se considerará un valor ceráunico de una zona cercana a la de la línea proyectada. Por lo tanto se toma el nivel ceráunico igual a 1,1, según lo establecido en las bases de diseño y se opta por una constante igual a 10, reemplazando estos datos en la ecuación Nº [1], se obtiene

un valor igual a 0.11 descargas anuales por 2km .

Caracte

rísticas Cab

le de

Guardia tipo O

PGW – Línea

s 2x 220

kV S

/E P

unta Cacho

s – S/E C

astilla DI-M

PX-01

-ITE-004

Rev.A

4-12

En tanto, el número de descargas atmosféricas interceptadas por la línea se puede determinar en base al ancho del terreno en que se supone que las descargas que caen en esa zona son atraídas por la línea, tal como nos muestra la figura Nº [1]:

Figura Nº1: Ancho del terreno influenciado por la ubicación de los cables de guardia.

El ancho depende de la altura del punto mas alto de la línea sobre el terreno, que es el cable de guardia de la línea y la distancia horizontal entre los cables de guardia si es que hubiese más de uno, el cual no es el caso analizado. El ancho del terreno queda determinado de la siguiente manera:

][4 mhterrenodelAncho = [2]

Donde:

( ) ][66,0 mhhhh ctt −⋅−= [3]

=h Altura efectiva.

=th Altura en la estructura del cable de guardia ubicado en la parte más alta de ella [m].

=ch Altura del cable de guardia en la mitad del vano ubicado en la parte más alta de la

estructura [m].

Caracte

rísticas Cab

le de

Guardia tipo O

PGW – Línea

s 2x 220

kV S

/E P

unta Cacho

s – S/E C

astilla DI-M

PX-01

-ITE-004

Rev.A

5-12

Se considera, que el diseño de las líneas contemplaran la utilización de una familia de estructuras metálicas enrejadas de doble circuito con disposición vertical de conductores de acuerdo al siguiente detalle:

Estructura de suspensión tipo S1 con altura a la cruceta inferior de 22 m, 25m, 28m

Estructura de anclaje, tipo A30, con altura a la cruceta inferior de 19m y 22m.

Estructuras para anclaje – remate, tipo R40, con altura a la cruceta inferior de 19m y 22m.

Considerando la altura hasta el canastillo para cable de guardia ( Th ) de 42,28 m podemos ver

que la altura en el medio del vano, de los conductores ubicados en la parte más alta de la estructuras, queda determinado de la siguiente manera:

][mflechahh TC −= [4]

Considerando un vano promedio de 390 m la flecha esperada para las condiciones normales a 15ºC sin presencia de viento es de 15,56 m, reemplazando en la ecuación [4] la altura ch será:

mhC 72,26=

Luego la altura efectiva ( h ) será de:

( ) ( ) mhhhh CTT 3272,2628,4266,028,4266,0 =−⋅−=−⋅−=

Considerando un (1) cable de guardia, es decir b=0, el ancho del terreno en que se suponen que las descargas caen será:

mterrenodelAncho 128=

En tanto el número de descargas directas a la línea se encuentra dado por el producto de la densidad de descargas atmosféricas a la base del ancho del terreno obtenido anteriormente. Si queremos determinar el número de descargas a la línea por 100 km de longitud (

LN ) será

entonces:

T

LN

ThN

⋅

⋅⋅=10

4 [5]

Reemplazando los valores en la ecuación Nº [5], se obtiene que para la línea en estudio se esperen aproximadamente 2,82 descargas anuales sobre ella por 100 Km. de trazado.

Caracte

rísticas Cab

le de

Guardia tipo O

PGW – Línea

s 2x 220

kV S

/E P

unta Cacho

s – S/E C

astilla DI-M

PX-01

-ITE-004

Rev.A

6-12

4.2 CALCULO DE LA CORRIENTE DE RAYO.

Al caer una descarga sobre una línea con cable de guardia pueden presentarse dos situaciones que se manifiestan en dos tipos de perturbaciones estas son:

Caída directa de la descarga sobre los conductores. Descarga sobre las estructuras y/o cable de guardia.

Se tiene por lo tanto:

21 FFF += [º/1] [6]

Donde:

=F Numero de perturbaciones anuales por 100 km de la línea.

=1F Numero de perturbaciones anuales por 100 km de la línea debida a descargas directas

sobre los conductores.

=2F Numero de perturbaciones anuales por 100 km de la línea debidas a descargas sobre

las estructuras y cable de guardia.

El valor de F debe estimarse de acuerdo a la seguridad de servicio requerida para las líneas, en este caso se establece un nivel de seguridad alto, que será del orden de las 1 perturbaciones anuales por 100 Km de línea según las bases de diseño.

En tanto el valor de 1F depende del nivel ceráunico, de la altura de la estructura y también del

ángulo de protección de los cables de guardia, que para este caso queda establecido por diseño de proyecto en 30 º.

LNPF ⋅= 11 [º/1] [7]

La probabilidad de descarga 1P se determina a través de la figura Nº 3,considerando una altura

de la estructura de 42 m se obtiene una probabilidad de descarga igual a 0,036 [º / 1]. Reemplazando en la ecuación Nº [7]:

]1/[º102,01 =F

Así, se obtiene 0,102 [º/1] perturbaciones anuales por 100 km de la línea debida a descargas directas sobre los conductores.

Caracte

rísticas Cab

le de

Guardia tipo O

PGW – Línea

s 2x 220

kV S

/E P

unta Cacho

s – S/E C

astilla DI-M

PX-01

-ITE-004

Rev.A

7-12

Figura Nº 2: Probabilidad de descarga directa sobre los conductores.

Para obtener la corriente de rayo es necesario conocer la probabilidad de descargas que exceden el nivel de impulso de aislación de la línea en estudio, así valor de

2P se obtiene de la

siguiente relación:

( )

]1/[º9,2 1

2

LN

FFP

−⋅= [8]

Reemplazando los valores en la ecuación Nº[8], la probabilidad de descargas que exceden el nivel de impulso de aislacion es de:

]1/[º92,02 =P

Conociendo la probabilidad 2P y haciendo uso de la curva recomendada por la CIGRE (Grupo

de trabajo 33.01), la cual relaciona esta probabilidad de ocurrencia de descarga atmosférica de determinada intensidad de corriente, se obtiene una magnitud de corriente de rayo aproximadamente de:

kAIRAYO 6=

Caracte

rísticas Cab

le de

Guardia tipo O

PGW – Línea

s 2x 220

kV S

/E P

unta Cacho

s – S/E C

astilla DI-M

PX-01

-ITE-004

Rev.A

8-12

Figura Nº3: Curva probabilidad de ocurrencia de descargas atmosféricas de determinada

intensidad de corriente, según CIGRE.

4.3 CALCULO DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA.

Así para obtener la resistencia de puesta a tierra se procede a igualar la sobretensión producida por una descarga atmosférica con el valor de impulso resistido por la aislación (impulso tipo rayo 1.2/50 uS), considerando el numero de aisladores determinado por las solicitaciones eléctricas.

De acuerdo a los antecedentes entregados en el Informe Nº DI-MPX-01-ITE-002 “determinación de la aislación”, la cantidad de aisladores queda fijado de acuerdo al grado de contaminación, así la cantidad de aisladores utilizados son igual a 15. La sobretensión soportada por la cadena de aisladores es igual a 1260 kV.

Luego, utilizando la siguiente ecuación:

]9[R

I

Ik

VR

⋅=

Caracte

rísticas Cab

le de

Guardia tipo O

PGW – Línea

s 2x 220

kV S

/E P

unta Cacho

s – S/E C

astilla DI-M

PX-01

-ITE-004

Rev.A

9-12

Donde:

=R Resistencia de puesta tierra de las estructuras, en

=RI Corriente de Rayo, en [KA].

=IV Tensión impulso, en [kV].

=k Factor igual a 0.75

Así de la ecuación [9] se obtiene que para las estructuras, la resistencia de puesta a tierra deberá ser menor a 280 Ω, para evitar sobretensiones debido a descargas atmosféricas

RESISTENCIA PUESTA A TIERRA < 280 Ώ

5. SECCIÓN MÍNIMA DEL CABLE OPGW

5.1. SECCIÓN MÍNIMA POR CORTOCIRCUITO

La sección mínima es calculada de tal forma que la elevación de temperatura en el cable no produzca algún daño o rotura debido a la corriente de cortocircuito, durante el tiempo de operación de las protecciones.

Los valores de la energía entregada ( tJ ⋅2 ) por la corriente de cortocircuito para un cable tipo

OPGW típico es:

CABLE TIPO J² t a 200 ºC

OPGW 6.900

La corriente de cortocircuito se puede calcular con la siguiente ecuación:

PP

P

gRrRr

RI

nIf

∗+∗+∗∗=

2

1 [9]

Donde:

If : Corriente de cortocircuito que circula por el cable de guardia, en [A].

n : Número de cables de guardia por estructura.

Ig : Corriente de cortocircuito fase-tierra de la línea, en [A].

][Ω

Caracte

rísticas Cab

le de

Guardia tipo O

PGW – Línea

s 2x 220

kV S

/E P

unta Cacho

s – S/E C

astilla DI-M

PX-01

-ITE-004

Rev.A

10-12

Rp : Resistencia de puesta a tierra de la estructura, en [Ω].

r : Resistencia de la longitud de cable de guardia entre dos estructuras, en [Ω].

Para el cálculo se realizan los siguientes supuestos:

La corriente de cortocircuito de la línea se estima en 10kA.

La resistencia de puesta a tierra de las estructuras es 280 [Ω].

La resistencia de la longitud de cable de guardia es igual a 0,36 [Ω].

Reemplazando los valores en la ecuación [9], la corriente de cortocircuito por el cable de guardia es de:

][84,908.4 AIf =

Se considerara que el tiempo de operación de las protecciones es de t=0,5 s. Luego la densidad de corriente por el conductor es de:

J = 117,5 [A/mm2]

Así, la sección mínima resultante producto de la corriente de cortocircuito será:

J

IfS MINIMA = [10]

Reemplazando en la ecuación [10] la sección mínima del cable OPGW es de 41,8 mm².

5.2. SECCIÓN MÍNIMA POR CORRIENTE DE DESCARGA ATMOSFÉRICA

Para calcular la sección mínima del cable del cable de guardia, los valores de la energía

entregada ( tJ ⋅2 ) por la corriente máxima de descarga que producen fusión del cable tipo OPGW típico es:

CABLE TIPO J² t

OPGW 16.800

Se asume un factor de seguridad igual a tres (3,0) para la densidad de corriente, de modo de no llegar a la fusión de los cables.

Caracte

rísticas Cab

le de

Guardia tipo O

PGW – Línea

s 2x 220

kV S

/E P

unta Cacho

s – S/E C

astilla DI-M

PX-01

-ITE-004

Rev.A

11-12

Así, la sección mínima resultante producto de la corriente de rayo será:

J

IS RAYO

MINIMA

⋅=3

[11]

Se considerara que el tiempo de duración de la corriente máxima de la descarga es de 0,001 segundo. Luego la densidad de corriente por el conductor es de:

J = 4.098,8 [A/mm2]

Reemplazando en la ecuación [11] la sección mínima del cable OPGW es de 4,39 mm².

6. CARACTERÍSTICAS CABLE DE GUERDIA OPGW

De acuerdo a la experiencia en la construcción de línea de transmisión el número de fibras más utilizado para el cable tipo OPGW es de 18 fibras, además debe contemplar las siguientes características mecánicas:

CARACTERISTICAS DESCRIPCION / VALOR Tipo Cable tipo OPGW 18 SMF Máxima corriente de cortocircuito 22,445(kA)²s Diámetro nominal del cable 10,7 mm Sección metálica 62,4 mm² Peso nominal 0,366 kg/m Resistencia a la rotura 7.000 kg Temperatura máxima soportable sin degradación de fibra 180 ºC

En el momento que las condiciones climáticas sean de 15ºC, sin viento, la flecha debe estar comprendida entre el 90% y el 100% de la flecha final del conductor ACAR 1100 MCM 48/13, considerando que, para esa condición, el conductor se encuentra instalado con una tensión del 18% de su tensión de rotura.

En tanto la tensión máxima de trabajo, se actuara cuando la condición climática sea de –5ºC con presión de viento de 40 kg/m2, y bajo estas condiciones la tensión del cable tipo OPGW no debe sobrepasar el 50% de su tensión de rotura ni la tensión máxima de trabajo recomendada por el fabricante.

Caracte

rísticas Cab

le de

Guardia tipo O

PGW – Línea

s 2x 220

kV S

/E P

unta Cacho

s – S/E C

astilla DI-M

PX-01

-ITE-004

Rev.A

12-12

En tanto el cable tipo OPGW tendrá como características ópticas:

CARACTERISTICAS ÓPTICAS DESCRIPCION / VALOR Tipo de fibra Monomodo según Rec. ITU G.652 Cantidad de fibras ópticas del cable 18 Longitud de onda 1.310 y 1.550 nm Atenuación media ≤ 0,21 dB/km @1.550 nm ≤ 0,35 dB/km @1.310 nm Dispersión cromática máxima 2,8 ps/(nm·km) @ 1.310 nm 18 ps/(nm·km) @ 1.550 nm Diámetro del núcleo 10,5±1,0 µm Diámetro del revestimiento 125±1,0 µm Diámetro del recubrimiento 245±10 µm Longitud nominal de la tira continua 5.000 m

La identificación de las fibras será por código de colores en el recubrimiento y los métodos de prueba serán hechos según norma ITU, Rec.G.652.

Los empalmes que sea necesario realizar dentro del trayecto deberán cumplir con las siguientes características técnicas, que deberán ser debidamente protocolizadas:

CARACTERISTICAS DESCRIPCION / VALOR Tipo de empalmes Fusión Perdidas por inserción de empalme < 0,05 dB Pérdidas de retorno del empalme > 60 dB

7. CONCLUSIÓN

El estudio de características del cable de guardia de las líneas 2x220 kV S/E Punta Cachos – S/E Castilla, establece que el cable de comunicación tipo OPGW recomendado, cumple con las características requeridas por la línea de transmisión.

Este tipo de cable, en cuanto al numero de fibras ya ha sido utilizado en múltiples sistemas de comunicación, en Arica, Iquique, Antofagasta y la línea de transmisión Encuentro – Collahuasi obteniéndose hasta ahora excelentes resultados.