vii jornadas de ingeniería eléctrica de la uft “elektra 2014”

Aumento de 6 GW en la capacidad de transporte de

una línea de 765 kV, mediante conversión

ATAC/ATDC

Ing. MSc. Pierercole Zecchetti Birzi (UFT)

VII Jornadas de Ingeniería Eléctrica de la UFT “ELEKTRA 2014”

Aumento de 6 GW en capacidad de transporte en línea de 765 kV, mediante conversión HVAC/HVDC

Según informes oficiales, en el Sistema Eléctrico Nacional (SEN), existen actualmente nexos de interconexión entre diferentes áreas o regiones del país que presentan restricciones, debidas principalmente a dos factores críticos asociados al sistema de transmisión:

Operación de los vínculos entre regiones por encima de su capacidad de transmisión.

Alta indisponibilidad y/o escasez de oferta de generación en la zona, que ocasiona el aumento del intercambio para satisfacer la demanda propia.


En general, las líneas de

transmisión de alto voltaje en

corriente alterna (HVAC o ATAC)

tienen una ineficiencia

inherente de diseño.


Esta ineficiencia consiste en que la capacidad de conducción (ampacidad) real de los conductores que la conforman es, en gran medida, no utilizada.

Con el aumento del voltaje de operación de los sistemas de potencia, y el consecuente aumento del número de conductores por haz, esta ineficiencia de diseño empeora.


Las tres líneas de transmisión (1, 2 y 3),

provenientes de la Casa de Máquinas 2 de la Central Hidroeléctrica Guri (Guri B) operan a una tensión nominal de 765 KV en cada una de sus tres fases, cada una de las cuales está constituida por un haz de cuatro conductores.

Estas líneas, de acuerdo a lo anteriormente expuesto, tienen una ineficiencia inherente al diseño, que puede ser minimizada.


Cuando la misma línea de transmisión ATAC se convierte mediante la tecnología ATDC, es posible utilizar plenamente la capacidad de sus conductores hasta su límite térmico.

El resultado neto es una transferencia de potencia mucho mayor, una optimización en la utilización de los activos y la eliminación de la necesidad de nuevas rutas de líneas, derechos de paso y servidumbres.


Se pueden lograr

incrementos sustanciales en la capacidad de transferencia de potencia de las líneas que operan en ATAC cuando se cambian para operar en ATDC.


Hoy en día, el

desarrollo que ha experimentado la tecnología de sustitución “en caliente” de las cadenas de aisladores de las líneas de transmisión de potencia, permite realizar dicha operación sin poner en riesgo la confiabilidad del flujo de energía.


La tecnología ATDC también presenta, entre otras, las siguientes ventajas técnicas y económicas sobre la ATAC:

Pérdidas de potencia inferiores para transferencias de grandes bloques de potencia.

Posibilidad de implantación de sistemas de potencia asincrónica.

Avanzada controlabilidad de grandes sistemas eléctricos de potencia, tanto en la inteligencia de control como en la velocidad de respuesta.


Existe la necesidad imperiosa e insoslayable de incrementar sustancialmente la capacidad de transporte del Sistema de Transmisión Eléctrico Nacional (STEN), en el menor tiempo posible, con el objeto de poder inyectar al Sistema Eléctrico Nacional (SEN) el importante aumento de generación hidroeléctrica que se estará produciendo en el Bajo Caroní en el corto plazo, específicamente, hasta el año 2015; a saber:

Unos 2.15 GW que se producirán en la nueva Central Hidroeléctrica TOCOMA, y

1.5 GW adicionales que se producirán como resultado del Plan de Modernización de la Central Hidroeléctrica GURI


En la conversión de tecnología

ATAC/ATDC, es concomitante el cambio de aisladores de AC por aisladores de DC.

No obstante, el cambio de aisladores es perfectamente posible sin necesidad de interrumpir el flujo de potencia de la línea.


La naturaleza modular de las válvulas a base de tiristores, permite la construcción de convertidores AC/DC y DC/AC en una amplia gama de valores de voltaje y corriente.

Estos convertidores tendrán un voltaje de operación igual a la suma de los voltajes de las válvulas conectadas en serie y una corriente nominal igual a la de los tiristores o, si fuera el caso, a la suma de la corriente nominal de los tiristores conectados en paralelo en las válvulas.


En sistemas ATDC los aisladores están sometidos a condiciones más severas que en los sistemas ATAC, ya que, por tener una sola polaridad (positiva o negativa) atraen más partículas contaminantes del medio ambiente, lo cual disminuye la rigidez dieléctrica efectiva de los aisladores.


La ausencia de corrientes y voltajes

cero en la ATDC, complica el proceso de extinción de la corriente de fuga, una vez que ésta se ha iniciado.

Por ello, para la repotenciación de las líneas ATAC se recomienda el uso de aisladores de compuestos de silicona (polímeros), ya que éstos promueven que las superficies de agua que surgen sobre el aislador, debido a la humedad ambiental o a las lluvias, no sean continuas (hidrofobia), atenuando continuamente el crecimiento y desarrollo de las corrientes de fuga.


Venezuela tiene la obligación

insoslayable de honrar compromisos adquiridos relacionados con el desarrollo sostenible, según los cuales es menester procurar la mayor eficiencia y el menor impacto ambiental y climático posibles en el manejo de la energía eléctrica.

Este compromiso obliga al país a suministrar la mayor cantidad posible de energía eléctrica a la mayor población posible, al menor costo posible y en el menor tiempo posible, afectando lo menos posible el clima y el medio ambiente.


Para los efectos de este trabajo, se asume que COORPOELEC, más temprano que tarde, ante el continuado déficit de generación, tomará la decisión de aprovechar aún más el potencial hidroeléctrico del rio Caroní, razón por la cual, se estima que en el año 2025 podría estar en funcionamiento la Central Hidroeléctrica Tayucay, ubicada a 130 kilómetros aguas arriba de la Central Hidroeléctrica Guri, la cual generaría energía ambientalmente amigable de unos 2.5 GW, según evaluación energética de dicho aprovechamiento hidroeléctrico realizado en 2004, por profesionales de EDELCA.


En la actualidad se están produciendo comercialmente tiristores de potencia con tensiones de bloqueo de hasta 8 kV y corrientes de conducción de hasta 4000 A, de tal manera que es posible construir centrales convertidoras de, prácticamente, cualquier combinación de voltajes y corrientes DC nominales, a partir de unos determinados valores nominales de la línea ATAC, siempre que no sobrepasen el voltaje pico de la tensión de AC correspondiente, en un rango del 82 % 85 %.


Características de la

línea 1 de 765 kV en ATAC (Guri BMalenaSan GerónimoLa ArenosaYaracuy).


La línea 1 es una de las de las tres líneas de 765 kV

que parten del patio de la subestación Guri B, el cual es alimentado por las unidades generadoras 11 al 20 que conforman la Casa de Máquinas 2, de la central hidroeléctrica Simón Bolívar (Guri).

Cada una de estas unidades generadoras fue construida para una capacidad nominal de 700 MVA, las cuales dan un total de 7000 MVA, es decir, 7 GVA, que son transportados a la zona central y occidental del país, a través de las tres líneas de 765 kV antes mencionadas, a razón de unos 2.33 GVA cada una, en régimen estacionario o permanente (normal).


La línea 1 de 765 kV (Guri B -

Yaracuy) tiene una longitud aproximada de 750 kilómetros, con tres fases constituidas cada una por un haz de cuatro conductores ACAR, de 1300 MCM (sección 659 mm2), trenzado 18/19, los cuales conforman un cuadrado de 45 centímetros por lado.

Estos conductores de aluminio, con centro reforzado de aleación de aluminio, tienen una capacidad de conducción térmica (ampacidad) de aproximadamente 1250 amperios.


Los parámetros eléctricos de la

línea, sin compensación reactiva alguna, son:R = 0.0147 /km, XL = 0.3418 /km

XC = 0.205 x 106 -km.

La configuración de la línea es horizontal con una distancia entre las fases de 15 metros, con cadenas de aisladores de configuración I en las fases ubicadas en los extremos de las torres, y de configuración V en la fase central, siendo la distancia promedio entre torres (vano) de 480 metros.


Tipo de arreglo para la transmisión ATDC de la línea. Se propone el llamado arreglo bipolar, el cual consiste en

conectar las fases a y c (las que van por los extremos de las torres, en todo caso) a sendos convertidores AC/DC y DC/AC en los extremos de la línea, dejando la fase central como retorno de las corrientes.

Los convertidores terminales, del tipo de 12 pulsos (dos de 6 pulsos conectados en serie), se conectan de tal manera que ambas fases tengan polaridades opuestas, es decir, un polo positivo y otro polo negativo, transmitiendo cada uno la misma potencia.

Aunque en la transmisión bipolar, no se usa necesariamente un retorno a tierra, ya que por ley de Kirchhoff la corriente de retorno es nula, normalmente se incorpora para incrementar la disponibilidad de transmisión en el caso de que falle un polo.


Para mantener la regulación de voltaje en niveles

deseados, y para disminuir la transmisión de potencia

reactiva, es decir, aumentar el flujo de potencia activa sin

comprometer la estabilidad del sistema, la línea tiene

inductores en paralelo de 300 MVAR en el lado extremo

receptor de cada tramo incluyendo las estaciones

intermedias, y un compensador estático (capacitor serie) en la

subestación San Gerónimo.


Corriente máxima de la línea. Asumiendo un factor de potencia de 0.9 en retraso, la corriente

máxima de la línea es IACmax = 2330000000 W /3 x 765000 V x 0.9 =

1953.85 A, es decir, unos 490 A por cada uno de los cuatro

conductores de los tres haces.

El limite térmico de conducción de los conductores ACAR 1300 MCM

con trenzado 18/19 es de 1250 A, por lo tanto, hay una subutilización

de los mismos de aproximadamente 760 A por conductor.

Se desperdicia una capacidad de conducción de corriente de 760

A/conductor x 4 conductores en paralelo/haz = 3040 A por haz, lo que

se traduce en una gran ineficiencia en la capacidad de transporte de

potencia de la línea.


Características de la línea 1 de 765 kV (Guri

Yaracuy) mediante la conversión ATAC/ATDC.


Voltaje de operación HVDC de la línea.

Debido a la naturaleza modular de las válvulas a base de tiristores, es posible construir convertidores AC/DC y DC/AC en un amplio rango de voltaje y corriente.

Para una línea de 765 kV AC, cuyo voltaje pico es 765 kV x (2)1/2 1082 kV, es posible construir centrales convertidoras AC/DC y DC/AC con un voltaje DC VDC = 900 kV, el cual representa el 83.12 % del valor pico de la tensión de la línea AC.


Corriente de operación HVDC de la línea.

A fin de aprovechar el máximo la ampacidad de los conductores ACAR de 1300 MCM con trenzado 18/19, las centrales convertidoras serán capaces de operar a una corriente IDC = 1250 A/conductor x 4 conductores = 5000 A, correspondiente a la corriente que circulará por una fase constituida por un haz de cuatro conductores.

Centrales con válvulas a base de tiristores conectados en paralelo, ya que actualmente se logran tiristores de hasta unos 4000 A.


En definitiva, se propone convertir la línea 1 HVAC de 765 kV, de unos 750 km, en un sistema de ± 900 en ATDC, para lo cual los elementos del sistema inherentes a la corriente alterna, instalados en las subestaciones intermedias correspondientes a la línea 1, tales como transformadores, reactores inductivos y capacitivos, ya no se requieren y se les puede retirar para utilizarlos en otros proyectos o como recuperación de activos.


Convertidor

AC/DC/AC

con arreglo

bipolar


Capacidad de transporte de potencia de la línea.

La capacidad de transporte nominal del sistema de transmisión ATDC de ± 900 kV será:

PDC2 = Potencia DC a la salida del terminal convertidor transmisor (AC/DC) pérdidas por efecto Joule en la línea pérdidas por efecto corona en la línea pérdidas en los aisladores pérdidas en el terminal DC/AC.


Potencia DC a la salida del terminal convertidor transmisor (AC/DC).

PDC1 = 2 VDC x IDC = 2 x 900000 V x 5000 A

9000 MW

Pérdidas por efecto Joule. PR = IDC2 x R = (5000 A)2 x

0.0147 /Km x 750 km 275.625 MW

Pérdidas por efecto corona Según (1) 0.000 MWPérdidas en los aisladores Según (1) 300 MW

Pérdidas en terminal convertidor DC/AC

0.6 1.0 % de potencia salida convertidor AC/DC

90 MW

Potencia a la salida del convertidor DC/AC PDC2 = 8631.375 MW

Capacidad de transporte de la línea de 900 HVDC

(1) Zecchetti, Pier. (UFT, 2011).


La línea 1 HVAC de 765 kV convertida a ATDC de

900 kV es capaz de transportar unos 8.6 GW,

es decir, unos 6.2 GW más que la línea HVAC

original (3.2 veces más).


Factibilidad económica y ambiental

Para el análisis de la factibilidad económica se hace una comparación entre la propuesta (conversión ATAC/ATDC de la línea 1 Guri BYaracuy, construcción de línea ATAC de 765 kV TocomaGuri B, de unos 50 km y construcción de línea ATAC de 765 kV TayucayGuri B, de unos 150 km) y el proyecto de línea de transmisión híbrida TocomaUribante (765 KV ATAC y 400 kV ATDC), de 1200 km, con cinco (5) subestaciones intermedias, anunciado por CORPOELEC, a un costo de $ 1300 millones.


Ítem UnidadCORPOELEC IDEA-PROPUESTA

Cantidad Cantidad

Longitud de línea km 120050 (TocomaGuri B)

150 (TayucayGuri B)

Torre U 2500105 (TocomaGuri B)

315 (TayucayGuri B)

Conductor de potencia km 28800600 (TocomaGuri B)

1800 (TayucayGuri B)

Conductor de guarda km 2400100 (TocomaGuri B)

300 (TayucayGuri B)

Cadena aisladores 765 kV AC U 10000

420 (TocomaGuri B)

1260 (TayucayGuri B)

Cadena aisladores 400 kV DC U 10000

Cadena aisladores 900 kV DC U 6250 (Línea 1, Gurí BYaracuy)

S/E 765 kV HVAC U 51 (Tocoma)

1 (Tayucay)

Terminal AC/DC y DC/AC U 2 de 400 kV (Tocoma y Uribante) 2 de 900 kV (Guri B yYaracuy)

Sistemas de protección y de control U1 (765 kV HVAC)

Solo ajustes de los existentes en la línea 1

1(400 kV HVDC)

Recuperación de cadena de aisladores 765 kV AC U 6250 (Línea 1, Guri BYaracuy)

Recuperación de S/E 765 kV HVAC U 5 (Guri B, Malena, San Gerónimo, , Yaracuy), correspondientes a la línea 1.

Superficie adicional de terreno afectada Ha 24000 2400

Tiempo de ejecución mes 3648 1824

Capacidad de transporte GW 2.15 8.6

Costo millón de $ 1300 875

Costo por capacidad de transporte mil $/kW 604.7 101.6


CONCLUSIONES

En términos unitarios, la propuesta CORPOELEC tiene un costo de $ 604.7 mil por KW.

La idea propuesta cuesta $ 101.6 mil por cada kW.

La idea propuesta es seis veces más eficiente que el proyecto CORPOELEC.


La idea propuesta no es sólo sustancialmente más económica que el proyecto CORPOELEC (unos $ 425 millones menos)

Además permite inyectar 6.27 GW adicionales al SEN

En un tiempo mucho menor (de 1.5 a 2 años menos)

Impactando ambientalmente una superficie de terreno diez veces menor que la del proyecto CORPOELEC (2400 Ha en comparación con 24000 Ha).


Con los 6.27 GW adicionales de capacidad de la

línea 1 Guri BYaracuy, obtenidos con la conversión ATAC/ATDC, además de los 2.33 GW que es posible transportar actualmente, se pueden transportar los 2.15 GW que se generarán en Tocoma en el año 2014, más los casi 1 GW adicionales que se producirán en Guri debido a la primera fase del Plan de Modernización de Guri en el año 2015, los 0.55 GW adicionales que aportará la segunda fase del Plan de Modernización de Guri para antes del año 2023 y los 2.45 GW que podrían producirse en Tayucay en el año 2025 y todavía quedaría una capacidad de transporte de reserva de unos 0.12 GW.


Con la línea 1

GuriYaracuy convertida a ±900 kV ATDC, aun en caso de falla de uno de los dos polos de transmisión, la capacidad de transporte de la misma es sustancialmente mayor (8.6 GW/2 = 4.3 GW) que la capacidad máxima de transmisión de la línea no convertida (2.33 GW).


Además, con la línea 1 GuriYaracuy de 765

kV ATAC convertida a 900 kV ATDC, sería posible exportar hasta 8.6 GW desde Guayana a Centro-occidente, sin necesidad de utilizar las lineas 2 y 3 de 765 kV HVAC (actualmente el límite que pueden exportar las tres líneas de 765 KV en conjunto oscila entre 7.46 y 7.8 GW), lo cual representa una mejora en cuanto a la confiabilidad y la estabilidad del Sistema de Transmisión Eléctrico Nacional (STEN).


En comparación con el proyecto CORPOELEC, la

conversión tecnológica planteada en esta idea propuesta permite satisfacer necesidades económicas, sociales y de un medio ambiente sano que se derivan del uso de la energía eléctrica de un porcentaje mucho mayor de la población venezolana, optimizando la infraestructura existente, utilizando los recursos dinero y tiempo en cantidades sustancialmente menores, con lo cual se estaría minimizando el riesgo de la satisfacción de las mismas a las generaciones futuras, que es lo que, precisamente, se entiende por desarrollo sostenible.


¡Muchas gracias por la

atención prestada!

vii jornadas de ingeniería eléctrica de la uft “elektra 2014”

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