Contribuciones al análisis y diseño de las líneas eléctricas de alta tensión

Résumé

Las líneas eléctricas aéreas son elementos fundamentales en la infraestructura de cualquier país, pues permiten el transporte y distribución de la energía eléctrica a lo largo de grandes distancias, de forma aceptablemente eficiente y económica. Se componen de uno o más conductores suspendidos por torres o postes, en donde el aire proporciona el aislamiento eléctrico entre las distintas partes activas. Los soportes de las líneas pueden ser de madera, acero, hormigón, aluminio, y de plásticos reforzados. Los conductores son generalmente cables desnudos compuestos frecuentemente de aluminio reforzado con acero. Un objetivo importante en el diseño de una línea eléctrica aérea es mantener la separación adecuada entre los conductores activos y entre éstas y las partes pasivas a fin de evitar cortocircuitos. Además, los distintos elementos han de resistir las inclemencias meteorológicas como tormentas, cargas de hielo, tormentas y otras causas que puedan afectar a su funcionamiento. Un aspecto fundamental a la hora de clasificar las líneas eléctricas de alta tensión es su tensión nominal. En España la tensión nominal más elevada es de 400 kV, pero en otros países como Brasil alcanzan valores más elevadas a fin de minimizar las pérdidas de transmisión a lo largo de los grandes corredores que atraviesan el país. Las áreas de interés relacionadas con las líneas eléctricas aéreas son diversas. La más amplia es la relacionada con su diseño y explotación. No obstante, numerosos autores están trabajando en mejorar otros aspectos de estas instalaciones como sistemas de mitigación de vibraciones eólicas, sistemas de vigilancia del estado de la explotación en tiempo real, así como el cálculo de campos electromagnéticos y sus efectos en organismos biológicos y dispositivos electrónicos. En el capítulo introductorio de esta tesis, se hace una breve introducción sobre la importancia y la complejidad de las líneas eléctricas aéreas. Se hace mención a la situación eléctrica de España así como al carácter multidisciplinario de las líneas eléctricas. Partiendo de diferentes modelos, en el siguiente capítulo se presenta un modelo multifísico implementado de dos formas diferentes. Este modelo está basado en el acoplamiento de varios modelos de los distintos elementos que forman una línea aérea de alta tensión, que proporcionan una manera de simular cualquier línea eléctrica de forma precisa y realista ante cualquier tipo evento tanto estático como dinámico. Una de las implementaciones simula el sistema de forma secuencial, y proporciona resultados adecuados la mayoría de las veces admitiendo ciertas simplificaciones como la total rigidez de los apoyos. El comportamiento elástico de los apoyos es tenido en cuenta sin embargo en la segunda implementación, la cual, a través de una formulación matricial, calcula el estado del sistema de forma conjunta, lo que resulta en soluciones más próximas a la realidad. A continuación, se propone un método de cálculo rápido de campos electromagnéticos en el dominio de la frecuencia en una arquitectura de alto grado de paralelización. Este método permite realizar simulaciones mucho más rápidas mediante el tratamiento matricial del sistema y su computación con un gran número de hilos de cálculo. Para demostrar sus capacidades de computación y su validez se hace un estudio de campos electromagnéticos en una subestación real y se comparan los resultados con medidas tomadas en situ en condiciones de funcionamiento conocidas. Por último, se hace una adaptación del mencionado método para poder hacer simulaciones en el dominio temporal mediante una transformada discreta de Fourier y se analiza el comportamiento de una torre de alta tensión ante una corriente tipo rayo, además de estudiar su respuesta frecuencial y el impacto de la conexión a tierra en su comportamiento eléctrico. Finalmente, en el último capítulo, se realiza un estudio de la capacidad de transporte, la ampacidad, de las líneas de evacuación de parques eólicos. La relación entre la producción y el efecto refrigerante del viento permite variar la corriente máxima admisible por los conductores, lo que se demuestra como un ahorro económico significativo.