Diseño de sistemas de transmisión de energía: Consideraciones y restricciones clave

La transmisión de energía eléctrica desde centrales eléctricas a centros de subestaciones crece con la demanda de energía actual. A medida que los sistemas de transmisión se expanden a lo largo de décadas, el exceso de capacidad disponible en las líneas de transmisión parece consumirse con el crecimiento del sistema o con usuarios de transmisión desarrollando planes más económicos para satisfacer la demanda del sistema. La expansión conduce a más consumo, lo que promueve más expansión. Comprender las consideraciones y restricciones involucradas en el diseño de sistemas de transmisión dará a los ingenieros una visión de cómo esto afecta las operaciones y la fiabilidad.

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Restricciones de transmisión

El crecimiento de la expansión lleva a los usuarios a consumir más energía según su demanda. La congestión de la transmisión de energía resulta cuando esta ya no puede acomodar el flujo de potencia aumentado. Las razones de la congestión pueden variar, pero el problema común es que la demanda de flujo de potencia en una ruta específica no es posible sin arriesgar su fiabilidad. Identifiquemos las restricciones comunes y las consecuencias asociadas.

Restricciones térmicas

Las líneas de transmisión tienen su propio límite térmico que puede resultar en hundimiento de líneas si se excede. Esto puede resultar en una falla de línea, donde se experimenta arco eléctrico hacia vegetación cercana, estructuras y, por supuesto, el suelo. Cuando esto ocurre, los componentes de protección de transmisión retiran la línea defectuosa para preservar el equipo terminal de daños graves.

Cuando la línea se retira para reparación, otras líneas de transmisión experimentan cargas aumentadas para compensar la pérdida. Puede resultar sobrecarga, lo que puede llevar a que los límites térmicos excedan sus restricciones operativas. Si esta situación no se contiene adecuadamente y rápido, las otras líneas que compensan la pérdida pueden experimentar el mismo escenario.

Entender que esta solución temporal es solo para situaciones de emergencia y que las líneas de transmisión de energía aún pueden exceder su límite térmico. Por esta razón, las líneas de transmisión a menudo tienen una calificación de emergencia. Esta calificación da una cantidad específica de tiempo que permite transferencias de carga más altas para minimizar la posibilidad de alcanzar el límite térmico.

Restricciones de voltaje

Generalmente, la reactancia de la línea de transmisión en los extremos receptores es mucho menor que el voltaje aplicado en el extremo inicial. Desviaciones de voltaje mayores o menores que el valor nominal pueden causar daño en equipos del consumidor o del proveedor. Esto da razón para tener una restricción de voltaje de operación que mantenga operaciones que cumplan requisitos. Esta restricción es mucho más importante en áreas donde las líneas de transmisión están dispersas y son largas.

Restricciones operativas

Las cargas cambian constantemente, ya sea en cambios pequeños o grandes. Cambios relativamente pequeños en la carga generalmente ocurren cuando la potencia mecánica en el lado de generación se ajusta a la demanda eléctrica. Mientras la variación sea pequeña, la conexión entre sistemas puede permanecer en sincronía. El sistema permanecería estable mientras las cargas no ganen magnitud y oscilen a bajas frecuencias. Estas oscilaciones pueden llevar a problemas de voltaje y frecuencia que pueden conducir a inestabilidad y posibles cortes.

Las oscilaciones grandes ocurren debido a mantenimiento, fallas o interrupciones en líneas de transmisión. Rangos de frecuencia mayores pueden causar situaciones incontrolables que podrían resultar inestabilidad no en estado estacionario. Medidas preventivas son necesarias para minimizar la inestabilidad potencial.

La inestabilidad de voltaje ocurre cuando los sistemas están expuestos a flujos mayores de potencia reactiva. Esto es resultado de la diferencia de voltaje desde el inicio hasta el extremo receptor de la línea. Resultando en caídas de voltaje en el extremo receptor. Voltajes más bajos aumentan la corriente y pueden contribuir a pérdidas. El colapso de voltaje es la consecuencia final. Potencialmente causando daño en equipos y posibles cortes.

Definición del diseño de líneas de transmisión de energía

Hay una serie de consideraciones que influyen en el diseño de líneas de transmisión. Las líneas de transmisión de energía tienen parámetros específicos que las definen. Estos parámetros tienen implicaciones en los efectos ambientales. Los parámetros básicos incluyen:

• Voltaje nominal
• Longitud de línea
• Rango de altitud
• Cargas de diseño

El voltaje nominal es una aproximación de cuál sería el voltaje real de la línea. El voltaje real varía según resistencia, distancia, equipos de conexión y el rendimiento eléctrico de la línea. El rango de altitud significa aproximadamente el clima y terreno esperado. La carga de diseño también se basa en el factor climático. Por ejemplo, la carga de diseño que el viento y el hielo ejercen sobre las líneas y torres de transmisión. Esto afecta las dimensiones de torres, longitudes, diseño de torres, resistencia mecánica del conductor y amortiguación del viento.

Parámetros de diseño de torres

Las torres de transmisión están diseñadas para mantener conductores separados del entorno local y entre sí. Cuanto mayor sea el voltaje de transmisión, mayor deberá ser la distancia de separación. Cuando un arco puede saltar de la línea de transmisión al suelo, causa una falla a tierra. Esto es cuando hay una transferencia de electricidad al entorno. También puede ocurrir entre conductores, conocido como falla fase-fase.

La primera consideración de diseño es la distancia entre conductores, la torre y otras estructuras potenciales de arco. Esto da una idea general de las dimensiones físicas de la torre. Esto incluye la altura de la torre, separación de conductores y longitud de aisladores para montaje.

La siguiente consideración es la resistencia estructural del marco de la torre para mantener los primeros requisitos de diseño. Esto tiene en cuenta cargas de componentes, clima y posibles impactos.

La consideración final es proporcionar la cimentación necesaria para soportar la torre y las cargas de diseño predeterminadas.

Parámetros de diseño de holguras

La función básica de la torre es aislar conductores del entorno, otros conductores y estructuras potenciales de arco. Holguras basadas en fase-torre, fase-fase y fase-tierra. Las holguras fase-torre se mantienen típicamente mediante cadenas de aisladores que deben tener en cuenta el posible movimiento del conductor. La holgura fase-tierra se basa en la altura de la torre, para minimizar la temperatura de la línea y el potencial de hundimiento, y controlar vegetación y estructuras potenciales de arco. La separación fase-fase se controla mediante geometría de torre y limitación del movimiento de la línea.

Diseño para protección contra rayos

Cuanto más alta la torre, mayor la posibilidad de un rayo. Los rayos pueden causar daño considerable a equipos de transmisión y de consumidores. Para minimizar daño por rayos, un juego extra de cables se tiende desde la parte superior de la torre a tierra para que el rayo los siga. Estos se conocen comúnmente como cables de blindaje y ayudan a asegurar que se prevenga fallo de equipos.

Diseño para supresión de movimiento de conductores

Efectos meteorológicos que producen movimiento de conductores pueden causar daño potencial a equipos de transmisión de energía. El tipo más común de amortiguador de transmisión es el amortiguador Stockbridge. Estos se instalan debajo de los conductores, adyacentes al punto de sujeción en los conductores a la torre. Una predicción adecuada de efectos meteorológicos puede ayudar a determinar el diseño de amortiguador requerido para la torre de transmisión. Estos previenen que los efectos vibracionales del clima causen daño potencial a equipos de servicios públicos.

E3.Cable para diseño físico de layout

E3.Cable permite una mezcla versátil de CAD eléctrico y mecánico combinados en una plataforma sofisticada. Esto proporcionará herramientas y funciones que harán que el diseño de líneas de transmisión de energía, interconexiones de subestaciones y torres de transmisión sea fácil y simple. Proporciona las funciones necesarias para evitar que los diseños choquen manteniendo requisitos geométricos para estructuras mecánicas.

Permite la creación de paneles de sistemas interconectados y líneas de transmisión con funciones fáciles de arrastrar y soltar. Crea un diseño libre de errores basado en parámetros de entrada según la demanda del usuario. Proporciona algunas de las siguientes:

• Creación de representación física de controladores de panel
• Comprobación de reglas de diseño
• Detección de colisiones
• Prevención de errores de colocación

E3.3D Routing Bridge

E3.3D Routing Bridge proporciona una transición fácil entre los software MCAD más usados en el mercado para enrutamiento y configuración de líneas de transmisión de energía. Transfiera fácilmente archivos MCAD al E3.3D Routing Bridge para determinar longitud y diámetro de líneas de transmisión para parámetros de diseño. Esto proporciona un paso intermedio entre unir los aspectos de ingeniería mecánica y eléctrica en un software fácil de usar. E3.3D Routing Bridge proporciona una imagen más clara de interconexiones entre conductores, líneas de transmisión, aisladores y la holgura necesaria para lograr parámetros de ingeniería operacional. Proporciona las siguientes funciones:

• Información de componentes transferible a MCAD
• Comprobación de choque de componentes en MCAD
• Consideración de hundimiento o curvas de transmisión
• Cálculo de longitud de líneas de transmisión y segmentos en MCAD

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Las herramientas de diseño adecuadas

Comprender las restricciones y consideraciones de diseño es solo el primer paso hacia el diseño de los mejores equipos de transmisión de energía. Tener las mejores herramientas disponibles para producir la mejor calidad y fiabilidad servirá a los ingenieros en magnitudes mayores. Dé el siguiente paso en la ingeniería de diseño preparatorio.

Comente sobre los procesos de diseño actuales usados para sus sistemas de transmisión y cómo podrían mejorar.

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