Nueva tecnología en cables para Líneas de Transmisión Tochetto Rogeiro Technology General Cable Corp Highland H,.EUA [email protected] Martin Rosales Ingenieria General Cable Conducen Costa Rica [email protected] Jennifer Rodríguez Navarrete Ingeniera General Cable Conducen Costa Rica [email protected] Resumen—El presente trabajo muestra la nueva tecnología en la fabricación de cables de aluminio para líneas de transmisión, con esta tecnología se logra fabricar conductores que se desempeñan con alta ganancia en eficiencia y capacidad de corriente en un sistema de transmisión, a través de la reducción de la temperatura operacional del conductor, reduciendo significativamente los costos de instalación y mejora en la confiabilidad de la red. Palabras clave—capacidad de corriente, líneas de transmisión, temperatura de operación, repotenciación Abstract— The present paper shows the new technology in the manufacture of aluminum cables for transmission lines, with this technology it is possible to manufacture overhead cable that perform with high gain in efficiency and ampacity in a transmission line through the reduction of the operational temperature of the conductor, significantly reducing the installation costs and improvement in the reliability of the power grid. y mejoras en la eficiencia, al reducir las pérdidas por calentamiento. Es aquí donde surge, como una solución óptima, el desarrollo de la Tecnología E3X en la fabricación de cables de transmisión de aluminio. En el desarrollo de esta presentación se muestran los beneficios de esta tecnología y resultados llevados a la práctica. II. MARCO TEORICO El balance térmico de un cable en operación es definido por un conjunto de variables que dependen de los factores ambientales en los cuales será instalado, el diseño de la construcción del cable, las características de los materiales usados en su fabricación y por las pérdidas de calor del cable en operación [1]. La fórmula que relaciona estas variables para el equilibrio térmico en un conductor desnudo de uso aéreo está dado por: 1/݉[ ܥI ² ܴtc +ݏݍ−ܿݍ− = ]ݎݍ0 Keywords—ampacity, transmission lines, thermal rating, power upgrading I. INTRODUCCION La red de transmisión en Centroamérica tiene un alto porcentaje de proyección en su crecimiento, lo que hace necesario en el corto plazo una repotenciación de sus líneas de transmisión, lo cual implica un crecimiento en las dimensiones de la red y su subsecuente gastos de instalación, sin embargo nuevas tecnologías en la manufactura de conductores con alta resistencia a la temperatura permiten una reducción en los costos XXX-X-XXXX-XXXX-X/XX/$XX.00 ©20XX IEEE (1) En donde: mCp es la capacitancia térmica del conductor [J/m°C]: Se define como el producto del calor específico y la masa por unidad de longitud. ܴ tܿ es la resistencia por unidad de longitud del conductor, medida a la temperatura del conductor tc, se mide en [ȍ /m] I es la corriente que pasa por el conductor [A] qs es la ganancia de calor por radiación solar [W/m] qc es la pérdida de calor por convección [W/m] qr es la pérdida de calor por radiación [W/m] La siguiente figura esquematiza la intervención de las variables en el balance térmico de un conductor aéreo: Esta función representa el impacto de capacidad de transferencia térmica del conductor y su capacidad de corriente, donde: I, R: Es la Capacidad de corriente y Resistencia del cable respectivamente. Qc, Qr, Qs : Representan el calor disipado por convección, radiación y ganancia solar respectivamente Fig. 1 Ilustración de variables en el balance térmico Y la función C (F C): (4) Que muestra la importancia de la emisividad en la capacidad del conductor de intercambiar calor con el ambiente, donde: D es el diámetro del conductor Tc y Ta, son las temperaturas del conductor y del ambiente respectivamente. Para el cálculo del balance térmico para el presente trabajo estamos usando la referencia de lo publicado en IEEE Std-738 de 2006: “Standard for Calculating the Current-Temperature of Bare Overhead Conductors” [2], aunque existen otros métodos, como el que presenta el CIGRE TB 207 "Thermal Behaviour of Overhead Conductors"[3], los resultados de todos ellos serán muy similares, como lo concluyó Galindo y Triviño [4], así que queda a criterio del diseñador que método emplear. La pérdida de calor (Joules) depende directamente de la resistencia y la variación de la temperatura de operación, las cuales se comportan siguiendo la Función A: F A: RtЇс RtІ (1 + ɲ (tІ-tЇ)) (2) donde: Rt . Resistencia a las diferentes temperaturas tІ, tЇ͗ Temperatura de referencia y Temperatura nueva ɲ: Coeficiente de variación de temperatura de la resistencia El impacto de los factores ambientales viene dado por las siguientes dos funciones (F B y F C) [5], [6]: F B: (3) Todas estas funciones definen la solución de diseño para un caso específico de elección de conductor en condiciones de operación y de instalación dadas, sin embargo si mejora la eficiencia del intercambio de calor con el ambiente, es decir si optimizamos su emisividad, logramos un conductor con las mismas especificaciones dimensionales y de peso pero con un incremento en su capacidad de corriente o si el proyecto en mención no requiere un incremento en su capacidad de corriente, obtendríamos un conductor con menos perdidas eléctricas resistivas y una flecha más corta debido a su temperatura operacional más baja. ¿Cómo optimizamos la emisividad? Si consideramos que la emisividad de un cable de transmisión depende del área superficial y de la emisividad intrínseca del material con que está fabricado el conductor, entonces si cambiamos el tipo de material podríamos obtener este cambio, sin embargo la tecnología que se presenta en este trabajo implica el uso de las mismas aleaciones tradicionales de aluminio pero con un revestimiento especial que logra la optimización de esta variable. III. TECNOLOGIA E3X El equipo de investigación y desarrollo de General Cable ha presentado su nueva tecnología aplicada en los cables aéreos de transmisión eléctrica bajo la marca TransPower®-E3X™, tecnología que disipa el calor y que optimiza la red de energía al agregar más capacidad y al controlar las pérdidas, lo que resulta en mejor sustentabilidad, confiabilidad y resistencia con un significativo reducción de costo en instalación y ahorros operacionales a largo plazo. Al aumentar la emisividad del conductor (mejor disipación del calor) y al reducir la absortividad (menos absorción del calor), la revolucionaria tecnología E3X consigue que una capacidad de corriente definida se logre con un conductor de menor dimensión o que el mismo tamaño de conductor opera a mayor temperatura, lo que mejora la eficacia y eficiencia energética. Esta nueva tecnología, permite a las empresas de transmisión de energía eléctrica a optimizar su red, añadir más capacidad y controlar las perdidas, con relevante reducción de costos. En esencia esta tecnología consiste en un fino pero durable revestimiento, aplicado en la superficie de un cable de aluminio tradicional, este revestimiento actúa como un disipador de calor que incrementa la emisividad y reduce la absorción de calor, logrando una eficacia energética y eficiencia al permitir un rango mayor de capacidad de corriente hasta en un 25% y reducir la temperatura de operación en al menos un 30%. TABLA 1 RESULTADOS EN ORNL IV. COMPROBACION EXPERIMENTAL Los conductores E3X, a fin de validar experimentalmente su desempeño se sometieron a pruebas de laboratorio y de campo, esta últimas llevadas a cabo por el Powerline Conductor Accelerated Test facility (PCAT) en el Oak Ridge National Laboratory (ORNL) para confirmar su desempeño, para este propósito, el laboratorio lleva a cabo una instalación de prueba de 732 metros conectada a una fuente de poder capaz de generar corriente dc hasta 5000 A, a lo largo de la línea una gama de dispositivos de medición son instalados que permiten medir la temperatura superficial y del interior del conductor sometido a prueba y simultáneamente sensores medirán voltaje del conductor, corriente, carga mecánica, flecha y condiciones ambientales como viento, radiación solar, etc. En este trabajo también presenta los resultados obtenidos con muestras nivel de laboratorio para validar la durabilidad del revestimiento sometido a abuso mecánico y ambiental, así como su efecto Corona. A. Pruebas de campo monitoreado Por la prueba de campo nos referimos a la desarrollada por el PCAT en ORNL [7] según las condiciones indicadas anteriormente. La prueba consistió en la comparación de desempeño entre dos cables del tipo ACSS M2-Drake, uno normal y el otro con el revestimiento de la tecnología E3X, los cuales fueron instalados bajo las mismas condiciones y sometidos a ciclos de 3 horas de esfuerzos térmicos y mecánicos por 500 veces, dichos ciclos se completaron en un periodo de 64 días. Durante estos ciclos se aplicaron Corrientes constantes desde 500 A hasta 1575 A, monitoreando la temperatura de operación y la flecha. Los resultados se muestran en la tabla 1, donde se observa que en todos los puntos de medición el cable E3X registro menores temperaturas en el rango de 20-31% comparado con el otro conductor y una subsecuente diferencia de flecha en hasta 0.87 metro a máxima temperatura. Fig.2. Layout de la conexión de la muestra de prueba en PRNL ŝĨĞƌĞŶĐŝĂĞŶ dĞŵƉĞƌĂƚƵƌĂΣ ^^ƌĂŬĞ ^^ƌĂŬĞϯdž &ůĞĐŚĂ;ŵƚͿ ϵϬ ϳϮ Ϭ͘ϭϱ ϭϭϵ ϵϬ Ϭ͘Ϯϭ ϭϮϱ ϵϰ Ϭ͘Ϯϳ ϭϲϲ ϭϮϱ Ϭ͘ϰϲ ϮϬϬ ϭϱϬ Ϭ͘ϰϵ ϮϰϬ ϭϳϰ Ϭ͘ϲϵ Ϯϳϱ ϭϵϬ Ϭ͘ϴϳ La siguiente fotografía muestra la diferencia en flecha producto de las diferencias en temperatura. La flecha azul de la derecha indica el conductor ACSS E3X Fig.3. Fotografía durante las pruebas en ORNL B. Ensayos de abuso mecanico y ambiental y efecto Corona Fue importante validar que el revestimiento de esta tecnología era durable y lo suficientemente robusta de manera que no perdiera el revestimiento ni se dañara superficialmente que provocara efecto corona indeseable. Para esto el conductor E3X se sometió a ensayos de abuso mecánico y ambiental con otros laboratorios internos y externos, que incluyó ensayos de vibración eólico, esfuerzo galopante, tiro de polea, ciclo de trabajo (esfuerzo mecánico repetitivo), adhesión, inmersión en agua y en ambientes ácidos, básicos y salinos, todos aprobados a cabalidad. Así también se hicieron pruebas de efecto corona con tensión de inducción negativa y positiva, los cuales resultaron con mejores valores en comparación con conductores equivalentes tradicionales, todo esto con el fin de garantizar que las propiedades aludidas son sostenibles a lo largo de décadas de trabajo real. TABLA 2 PRUEBA DE ABUSO MECANICO Y AMBIENTAL WƌƵĞďĂ ĚŚĞƐŝŽŶ ƐƚĂďŝůŝĚĂĚƚĞƌŵŝĐĂ ƐĨƵĞƌnjŽŐĂůŽƉĂŶƚĞ sŝďƌĂĐŝŽŶĞŽůŝĐĂ ŵƉƵũĞĞŶWŽůĞĂ /ŶŵĞƌƐŝŽŶĞŶĂŐƵĂ ŵďŝĞŶƚĞƐĂůŝŶŽ DĞƚŽĚŽ ^dDϯϯϱϵ ϯϮϱΣdžϳĚŝĂƐ ϯĐŝĐůŽƐdžŚŽƌĂ ǀŝďƌĂĐŝŽŶdžϰϬĚŝĂƐ ϮϳĐŝĐůŽƐĂϮϬΣ ĂϵϬΣdžϳĚŝĂƐ ůϯйƐĂůŝŶŽdžϳĚŝĂƐ ZĞƐƵůƚĂĚŽ ZĞǀĞƐƚŝŵŝĞŶƚŽŝŶĂůƚĞƌĂĚŽ͗K< ZĞǀĞƐƚŝŵŝĞŶƚŽŝŶĂůƚĞƌĂĚŽ͗K< ZĞǀĞƐƚŝŵŝĞŶƚŽŝŶĂůƚĞƌĂĚŽ͗K< ZĞǀĞƐƚŝŵŝĞŶƚŽŝŶĂůƚĞƌĂĚŽ͗K< ZĞǀĞƐƚŝŵŝĞŶƚŽŝŶĂůƚĞƌĂĚŽ͗K< ĂŵďŝŽĚĞŵĂƐĂфϬ͘ϬϮй͗K< ĂŵďŝŽĚĞŵĂƐĂфϬ͘ϭй͗K< TABLA 3 PRUEBA DE INDUCCION CORONA V. AHORRO EN COSTOS Los ahorros al utilizar esta tecnología, tienen impacto en los costos iniciales de instalación debido a que el proyecto implicara la sustitución de un calibre de mayor dimensión (tamaño y peso) por uno menor. Esto representa un ahorro en la construcción de las torres y sus cimentaciones, tanto por el diseño para menor peso como en altura ya que el nuevo cable tendrá una flecha, este último punto también puede tener consideraciones de “derecho de vía” y que en nuestros países puede ser significativo y tener algún inconveniente medioambiental. También tenemos los ahorros por reducción en pérdidas por calentamiento, los cuales los calcularemos como una proyección de Valor Presente Neto para una vida de servicio de 30 años. Ambos casos serán abordado mediante el estudio de caso de Cross Texas Transmission (CTT) quienes tenían el proyecto de instalar una línea de 238 millas a doble circuito de 345 KV AC en tres segmentos que totalizaban 2820 millas de conductor. A. Ahorro en la Instalacion El diseno original considera la instalacion de un cable 1590 mcm Falcon ACSS/MA2 cuya capacidad de corriente a 200CΣ es de 2370 A. El cable equivalente en tecnologia E3X de General Cable 8 recomendado es el 1272 mcm Pheasant que tiene un 20% de menor peso. Acorde al calculo de costo de Burns & McDonell los ahorros se presentan en la siguiente tabla: TABLA 4 AHORRO INICIAL ŵƉĂĐŝĚĂĚ WĞƐŽ;ůďƐͬ<ĨƚͿ ŚŽƌƌŽ ĂϮϬϬΣ ϭϱϵϬŵĐŵ&ĂůĐŽŶ ϮϯϳϮ ϮϬϯϵ ĂƐĞKƌŝŐŝŶĂů ϭϮϳϮŵĐŵWŚĞĂƐĂŶƚ ϮϲϯϬ ϭϲϯϭ h^Ψϰϱ͕ϳϰϯͬŵŝůůĂ ŽŶĚƵĐƚŽƌ Esto representa un ahorro para la instalación total de toda la línea de $ 18.88 Millones de dólares. Cable Tradicional Cable Tecnología E3X En conclusión general de los resultados de todas las pruebas llevadas a cabo, la tecnología E3X cumple con todas las características técnicas presentadas, en el siguiente apartado evaluaremos los ahorros en costo que implican estas ventajas. B. Ahorro por reduccion en perdidas El estudio de caso para evaluar el ahorro por reducción en pérdidas por calentamiento para el mismo proyecto de CTT se enfocó en el caso que la decisión del dueño del proyecto fuera seguir con su especificación original del conductor 1590 mcm Falcon ACSS/MA2 pero utilizando el mismo calibre pero con tecnología E3X, es decir, un 1590 mcm Falcon ACSS/MA2/E3X los ahorros se presentan en la siguiente tabla: TABLA 5 COSTO ANUALIZADO ŽŶĚƵĐƚŽƌ WĞƌĚŝĚĂĚĞ WĞƌĚŝĚĂ WŽƚĞŶĐŝĂ ŶƵĂůŝnjĂĚĂ <ǁͬŵŝůůĂ <ǁŚͬŵŝůůĂ ϭϱϵϬŵĐŵ^^ ϭϱϵϬŵĐŵ^^ͬϯy ŚŽƌƌŽ ϭϲϱ ϭϱϳ ϴ ϰϳϬ͕ϵϴϮ ϰϰϳ͕ϲϮϬ Ϯϯ͕ϯϲϮ ŽƐƚŽ ŶƵĂůŝnjĂĚŽ ;ŶĞƌŐŝĂLJ ĞŵĂŶĚĂͿ ΨͬŵŝůůĂ ϳϬ͕Ϭϱϱ ϲϲ͕ϱϴϬ ϯ͕ϰϳϱ ŽƐƚŽ ĞŵĂŶĚĂ ŶƵĂůŝnjĂĚĂ ΨͬŵŝůůĂ ϯϯ͕ϳϰϴ ϯϮ͕Ϭϳϰ ϭ͕ϲϳϰ Con estos costos anualizados, calculamos el Valor Presente Neto a 30 años con 5% de interés nos da un ahorro de US$ 641,027 por milla lo que significa un ahorro total a VPN para toda la línea de transmisión de US$ 15.8 Millones. VI. CONCLUSIONES Se concluye, entonces, que la Tecnología E3X es una alternativa viable para repotenciar líneas de transmisión, logrando que cables tradicionales de transmisión (ACSR, ACSS) alcancen mayores niveles de capacidad de corriente a través de la reducción de la temperatura operacional del conductor y por ende puedan diseñarse líneas de transmisión con calibres menores obteniendo un ahorro en los costos en su instalación y una mayor eficiencia en su desempeño al reducir las pérdidas por calentamiento del conductor. REFERENCIAS [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Blauth,E. Una tecnologia innovadora para aumenatr el desempeno y eficiencia en lineas de transmision aereas. XXIII SNPTEE, Brasil. 2015. IEEE. 738 - 2006: Standard for calculating the current–temperature Relationship of bare overhead conductors. New York : s.n., 2007 CIGRE. TB 207: Thermal Behaviour or overhead conductors. 1992. A.Galindo. y M.Triviño. Análisis de sensibilidad de las principales variables que influyen en la capacidad térmica de las líneas de transmisión. Bogotá : Universidad Nacional de Colombia, 2009. House, H.E. and Tuttle, P.D. Current-Carrying Capacity of ACSR. AIEE Winter General Meeting, February, 1958 ALCOA. Current-Temperature Characteristics of Aluminum Conductors, Alcoa Conductor Engineering Handbook, Section 6. ORNL/TM 2015/549. Preliminary report on Oak Ridge National Laboratory Testing of Drake/ACSS/MA2/E3X™. USA.2015 General Cable, Catalogo de productos. TransPower®, www.generalcable.com. 2017
