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Consideraciones de Diseño para Sistemas Colectores de Grandes Dimensiones
Ya que no hay dos parques eólicos que sean exactamente iguales, el sistema colector de cada parque debe tener un diseño único.
POR ERNST CAMM
Cuando se trata del diseño de los sistemas colectores para parques eólicos grandes, es prudente decir que no hay dos parques que sean exactamente iguales. Como consecuencia, cada sistema colector de un parque eólico grande necesita que se le haga un diseño único. Existen muchas consideraciones que se deben incluir en el diseño de un sistema colector de un parque eólico. A continuación se ofrece una sinopsis de alto nivel sobre algunas de las consideraciones de diseño más importantes que tienen que ver con el desarrollo de sistemas colectores para parques eólicos de gran tamaño.
El sistema colector de un parque eólico grande (es decir, parques eólicos con capacidad de más de 20 MW) se compone de una red de cables que recolectan la producción de energía de los generadores de aeroturbina individuales que están diseminados por todo el parque eólico, los transformadores elevadores de los aerogeneradores y el colector de la subestación en la que se entrega la energía en un solo punto para que se distribuya al sistema de transmisión de la empresa suministradora que hace la interconexión.
La ubicación y el terreno del parque eólico son un factor importante a la hora de diseñar sistemas colectores. Los buenos sistemas de viento se dan, por lo general, en áreas montañosas, lo cual plantea una serie de retos, incluyendo la accesibilidad, la construcción de caminos y la conexión eléctrica a tierra.
Estos retos afectan la metodología de instalación y la facilidad de construcción del sistema colector. La composición de la tierra y la expulsión de hielo de las aeroturbinas, en gran parte, determinan si el sistema colector se instala de manera aérea o subterránea. Si se toma la decisión de instalarlo subterráneo, las prácticas de apertura de zanjas y de conexión a tierra se verán sumamente influenciadas.
Los circuitos del cableado de los sistemas colectores para parques eólicos grandes, por lo general, son largos debido a las distancias que se necesitan entre las torres, a las condiciones del terreno y las características del viento. Los circuitos de cable de gran longitud ocasionan más caídas de tensión, pérdidas óhmicas y gastos asociados con la instalación de los cables. Los tramos largos de cable también complican los procedimientos de prueba de los cables e incrementan las necesidades de equipo de pruebas, especialmente para detección de fallas.
Los tramos largos de cable pueden dificultar la localización y el aislamiento de las fallas. Las recomendaciones incluyen el proporcionar puntos de seccionamiento para los circuitos que no rebasen las capacidades del equipo de localización de fallas, y al mismo tiempo proporcionar puntos de seccionamiento para aislamiento y restablecimiento. Además, la utilización de indicadores direccionales de fallas en los transformadores elevadores de los generadores de aeroturbina (WTG´s) puede reducir, en gran manera, el tiempo de localización de la falla.
Los niveles de tensión comunes de los sistemas colectores en América del Norte incluyen 15 kV, 25 kV, 35 kV y 46 kV (sobre todo en Canadá). La tensión de sistema más común en los sistemas colectores de los parques eólicos grandes es de 35 kV debido a los largos tramos de circuito y a las necesidades de carga. Las consideraciones de diseño del cableado de los sistemas colectores incluyen el calibre del conductor (con base en las necesidades de ampacidad del sistema) y el tipo y nivel del aislamiento.
Los dos tipos más comunes de aislamiento son el de polietileno reticulado con retardante de ramificación (TRXLPE), y el de caucho de propileno etileno (EPR). Los cables con aislamiento EPR son más fáciles de instalar (lo que resulta especialmente benéfico para los conductores de calibre grande) pero son más caros que el cable con aislamiento de TRXLPE. El nivel del aislamiento (100%, 133% o 173%) depende de la conexión a tierra del sistema así como de la magnitud y duración de las sobretensiones transitorias de fase a tierra en condiciones de falla.
Las normas industriales para la determinación del nivel adecuado del aislamiento son la ICEA 8-94-649 y la AIEC CS8. Para las aplicaciones en parques eólicos, las especificaciones del tipo de cable más común incluyen:
- Conductores de aluminio.
- Aislamiento TRXLPE al 133%
- Alambres concéntricos neutros de cobre desnudo, con capacidad de 1/3 de la ampacidad de la corriente de retorno.
- Fundas lineales de polietileno de baja densidad (LLDPE) y
- Fabricación de conformidad con las normas ICEA S-94-649 y AEIC CS8.
Las ampacidades de los cables, y por ende el calibre del conductor, se relacionan directamente con cinco grandes factores que incluyen:
- Número de circuitos,
- Geometría y método de la instalación de los cables, resistividad térmica y temperatura,
- Tensiones de protección del cable y método de trabazón, y
- Factor de carga.
Comprender y controlar las condiciones térmicas de la instalación es el objetivo central para evitar el embalamiento térmico. Los cables que conducen carga naturalmente producen calor así que la cantidad de circuitos (es decir, el número de cables) que se instalen juntos reducirá la cantidad de ampacidad por cable. Por lo tanto, la ampacidad del cable es inversamente proporcional al número de circuitos.
La geometría y el método de instalación de los cables afectan la cantidad de calor que se produce en condiciones de carga. Por ejemplo, los cables que se entierran directamente tienen mayores niveles de ampacidad que los cables soterrados en conductos debido a que los conductos y los bancos de conductos reducen la capacidad de disipar rápidamente el calor.
Así mismo, el espaciamiento de los cables es una consideración importante. Los cables que se instalan en una configuración triple o de trébol producen menos calor en comparación con los cables que se instalan en paralelo porque la cantidad de corrientes parásitas que se induce en la cubierta metálica se reduce en una configuración triple.
Una fuente importante de problemas potenciales con los circuitos subterráneos lo es la selección e instalación inadecuada de los materiales térmicos de relleno para obtener la resistividad térmica requerida. El embalamiento térmico de los cables ocurrirá si la resistividad térmica no es mayor que el nivel designado (Normalmente 90º C- cm por W).
Por último, el método de trabazón de la capa metálica afecta la ampacidad debido a las corrientes inducidas a la cubierta. Por lo general, se utilizan cubiertas con trabazón de un solo punto, cubiertas con trabazón sólida y a tierra o cubiertas con trabazón cruzada. Normalmente se utiliza el segundo método ya que es la solución más sencilla para el problema de las corrientes inducidas a la cubierta, reduciendo la cantidad de calor que genera el cable.
El Código Nacional de Seguridad Eléctrica sección 9, regla 92C recomienda “4 tierras por milla” así como tierras en los transformadores y los empalmes. Generalmente se incluye un conductor de cobre desnudo (conductor de puesta a tierra en paralelo) y se une a las cubiertas en intervalos regulares.
El último factor a considerar lo es el factor de carga, el cual es la potencia promedio dividida entre la potencia pico durante un periodo de tiempo (generalmente 24 horas). Es común utilizar conductores de aluminio de 4/0 cerca de los extremos de las cadenas de alimentadores, mientras que, más cerca de la subestación de recolección se utilizan conductores de aluminio de 500 kcmil y los conductores de aluminio de 1000 kcmil se utilizan en los “puntos de inicio” a las subestaciones de recolección. Se necesita hacer cálculos de la ampacidad de los cables, de la pérdida del sistema y de las caídas de tensión para escoger el calibre adecuado para el sistema colector del parque eólico.
Los diseños de protección contra sobretensiones transitorias y temporales normalmente incluyen la instalación de disipadores de sobretensiones en el último transformador montado en pedestal en cada cadena de alimentadores del circuito colector. Las consideraciones de aplicación de los disipadores de sobretensiones incluyen la ubicación de los disipadores y el tipo de montaje, el método de conexión a tierra del sistema y la longitud del circuito.
Tal vez se necesite realizar análisis de transitorios y coordinación del aislamiento para determinar la colocación de los disipadores para minimizar las sobretensiones transitorias durante el cierre del interruptor del alimentador u otros eventos de conmutación. Por lo general se realizan estudios de cortocircuito y de coordinación durante la fase de diseño del proyecto para atender las necesidades de protección contra sobrecorrientes.
Varios aspectos del diseño del sistema colector influyen en la protección contra sobrecorrientes, incluyendo:
- Que los tramos de circuitos largos quizá no permitan la fácil detección de las fallas a tierra.
- Los sistemas de conexión a tierra (aterrizados vs. no aterrizados o sistemas aterrizados a través de transformadores de conexión a tierra en cada alimentador).
- La coordinación selectiva de los circuitos del sistema colector puede resultar bastante complicada, ya que con frecuencia es difícil distinguir las fallas en los alimentadores cuando se utilizan transformadores de puesta a tierra.
- La coordinación selectiva con los fusibles de los transformadores de montaje en pedestal aguas abajo en generadores de aeroturbina.
- Las fases que no tengan fallas se pueden elevar a niveles de tensión de fase a fase con respecto a la tierra durante las fallas a tierra.
- Pérdida de fase durante las fallas con disparo monofásico con reconexión en el sistema de transmisión o conductores caídos, y
- El generador de aeroturbina puede alimentar las fallas durante varios ciclos (aunque el interruptor del alimentador se haya abierto) si no se implementa una desconexión favorable de los generadores de aeroturbina.
Existen muchos retos asociados con los sistemas colectores de los parques eólicos grandes, los cuales se deben afrontar durante la fase de diseño. Para el éxito de todo parque eólico de grandes dimensiones es crucial darse cuenta de que se debe hacer frente estos retos y tener la experiencia para identificar e implementar las soluciones de diseño.
Ernst Camm es Ingeniero de Alto Nivel en la División de Servicios para Sistemas de Potencia de S&C Electric Company.
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