La operación de líneas de transmisión en sus límites dinámicos

Operación de líneas de transmisión en sus límites dinámicos y oportunidades de implementación identificadas en el Sistema Eléctrico Nacional

Por M.C. Ana Victoria Tarín Santiso* para Energía a Debate

Las líneas de transmisión limitadas térmicamente son tradicionalmente operadas de manera conservadora, resultando en un nivel de utilización típicamente más bajo que su capacidad máxima de transmisión. Sin embargo, con el desarrollo de las tecnologías de la información, la capacidad térmica de una línea de transmisión puede determinarse en tiempo real, lo que abre un campo de oportunidades para la operación más eficiente de la red eléctrica.

La capacidad de las líneas de transmisión largas a menudo está limitada por restricciones de estabilidad, caída de tensión y pérdidas de energía, pero para las líneas cortas, la capacidad máxima de transmisión se dicta por su capacidad térmica, que depende de la temperatura máxima permitida en el conductor ¹.

El estándar IEEE 738-2012 describe un método numérico mediante el cual la temperatura de un conductor aéreo desnudo se relaciona con la corriente eléctrica y las condiciones climáticas. Esta herramienta permite determinar la corriente del conductor correspondiente a los límites de temperatura del mismo ².

El método de la IEEE se basa en la ecuación de balance térmico en estado estable que considera el equilibrio entre el calor absorbido y disipado, acorde a la Ecuación 1.

q_C + q_R = q_S + q_J 

Donde:

q_C: Enfriamiento convectivo

q_R: Enfriamiento radiativo

q_S: Calentamiento por radiación solar

q_J: Calentamiento por efecto Joule

El enfriamiento convectivo depende principalmente de la velocidad del viento (W_S) y Ø (ángulo entre la dirección del viento (W_d) y el eje del conductor (φ_line)), mientras que el enfriamiento radiativo está influenciado por la temperatura a la que opera el conductor (T_S) y la temperatura ambiente (T_a). La radiación solar directa y difusa (Q_B,Q_D) y la posición del Sol respecto al conductor, son importantes para el cálculo del calentamiento solar; algunas condiciones geográficas también son relevantes, como el azimut de la línea de transmisión (Z_line) y la latitud (Lat) donde se ubica. Finalmente, el calentamiento por efecto Joule es una consecuencia de la corriente eléctrica (I); ésta es precisamente la variable a resolver cuando se analizan las condiciones meteorológicas descritas.

La ampacidad de un conductor se define como la corriente eléctrica máxima que cumple con los criterios de diseño, seguridad y protección de una línea particular en la que se utiliza el conductor y está limitada por una temperatura máxima que preserva la integridad mecánica². Las ampacidades propuestas por los fabricantes de conductores aéreos desnudos se calculan con condiciones climáticas muy conservadoras: Q_B = 1000W/m2, T_a = 25 °C y W_S = 0.61m/s, esta última consideración surgió de un estudio realizado en la década de 1930, donde se determinó que esta velocidad del viento no se registra más del 5% del tiempo durante una temporada de verano. En consecuencia, la posibilidad de sobrecalentamiento del conductor es casi insignificante.

En la práctica, la corriente eléctrica obtenida de aplicar el Estándar IEEE con estas condiciones ambientales conservadoras define la capacidad de las líneas de transmisión limitadas por restricciones térmicas, dando lugar al término límite estático.

Las condiciones climáticas no son estáticas; por lo tanto, la capacidad de una línea de transmisión limitada térmicamente tampoco lo es. Cuando ocurren condiciones climáticas favorables, las líneas de transmisión operan con un bajo nivel de utilización. Reconocer que ciertas condiciones climáticas pueden afectar la temperatura de los conductores y causar un cambio en su capacidad abre la posibilidad de operarlas líneas de transmisión en sus límites dinámicos aumentando la utilización de la red, trayendo consigo alivio a líneas congestionadas, una mayor integración de generación renovable, así como una mejor gestión de la red en caso de contingencias.

La capacidad dinámica de una línea de transmisión (conocida en inglés como Dynamic Line Rating) es una técnica que puede aumentar dinámicamente la capacidad de transporte de corriente de las líneas de transmisión. En un marco operativo, la ampacidad se considera una variable dinámica que proporciona una estimación del valor crítico al que se puede operar la línea en cada unidad de tiempo de operación. En el escenario actual del sistema eléctrico, donde el aumento de la energía de fuentes renovables variables ejerce presión sobre la infraestructura existente, la operación de las líneas de transmisión en sus límites de capacidad dinámicos puede representar una solución para integrar una mayor producción renovable mientras se minimiza o pospone la expansión de la red ³.

Un sistema para la operación dinámica no aumenta la capacidad de la línea por sí mismo; sino que, revela la capacidad de la línea en tiempo real⁴. La operación dinámica requiere el uso de un sistema de monitoreo que recopile todos los datos necesarios. El equipo de monitoreo se puede instalar en la línea aérea en algún punto cercano a la sala de control, enviando los datos al sistema de control con un pequeño retraso. Los sistemas de monitoreo pueden tener diferentes funciones: monitoreo de las condiciones climáticas, medición directa de la temperatura del conductor, tensión en el conductor, catenaria de la línea o distancia al suelo ⁵.

Un sistema que monitoree en tiempo real la capacidad de las líneas de transmisión también ofrece la oportunidad de eliminar el riesgo de exceder la capacidad de la red cuando las condiciones ambientales no son favorables y permite, cuando es posible, incrementar la capacidad de transmisión, pudiendo resultar en un óptimo despacho económico y en un mejor manejo de la red ante contingencias.

Puede mencionarse como ejemplo de implementación a Oncor Electric Delivery Company, que en el estado de Texas desplegó un sistema para operar la red eléctrica en sus límites dinámicos, demostrando que esta tecnología es capaz de resolver problemas de transmisión de manera confiable, segura y a un costo competitivo. Oncor recopila la información de las condiciones ambientales de la red eléctrica, calcula la capacidad en tiempo real y envía esa información al operador del mercado eléctrico ERCOT. Texas ha sido de los primeros sistemas de potencia en lograr operar un mercado eléctrico con capacidades de transmisión dinámicas registrando resultados positivos en la solución de problemas de congestión.

En México, la oportunidad de implementación de esta tecnología no es menor. Como ejemplo puede analizarse la obra de ampliación de la red de transmisión P19-OC3 propuesta en el PRODESEN 2019-2033. La obra en mención ha sido requerida, como refuerzo de la red a múltiples proyectos de generación renovable que han solicitado interconexión al Sistema Eléctrico Nacional. Dicha obra consiste en la construcción de una línea de transmisión en 230 kV de 86 km de longitud, doble circuito, entre la subestación Las Delicias y entronque con la línea Querétaro – Querétaro Potencia.

Acorde al Manual de Interconexión de Centrales Eléctricas y Conexión de Centros de Carga, todo proyecto de generación que desee interconectarse al Sistema Eléctrico Nacional debe someterse a tres estudios eléctricos para determinar el impacto que el proyecto tendrá en la red eléctrica, estos análisis son: Estudio Indicativo, Estudio de Impacto al Sistema y Estudio de Instalaciones. En ellos se simula la incorporación del proyecto a la red de transmisión y se corren análisis de flujos de potencia, corto circuito, estabilidad transitoria y respuesta del sistema ante contingencias n-1, todo ello para diferentes escenarios de demanda: verano e invierno. Derivado de los resultados de los estudios eléctricos, a los proyectos de generación les pueden ser solicitadas obras de refuerzo en la red.

El refuerzo en mención solicitado a múltiples proyectos renovables, que como ya se indicó corresponde en realidad a una obra de ampliación de la red de transmisión, es derivado de la sobrecarga en la línea de transmisión Las Delicias – Santa Fe. Está sobrecarga, en muchos casos por debajo del 1%, no se presenta en simulaciones de estado estable, sino como resultado de simular una contingencia sencilla en la línea de transmisión Las Mesas – Querétaro Potencia Maniobras.

El requerimiento de esta obra de ampliación como requisito para la interconexión, ha dejado fuera del proceso a varios proyectos de generación renovable haciendo inviable su desarrollo, tanto por los costos de construcción de dicha línea de transmisión, como por el tiempo de ejecución.

Cabe señalar que la línea de transmisión Las Delicias – Santa Fe está limitada térmicamente a 386 MW (límite estático, conductor 900 kcmil ACSR). Lo que la convierte en una candidata idónea para la implementación de un sistema de monitoreo que le permita operar en sus límites dinámicos.

Acorde la base de datos georeferenciada del Sistema Eléctrico Nacional⁶ y a partir de bases de datos de información meteorológica del NREL (National Renewable Energy Laboratory), permitiendo la evaluación de la variabilidad interanual y las incertidumbres asociadas, ha sido posible determinar el límite térmico real de la línea de transmisión Las Delicias – Santa Fe con una resolución horaria.Como resultado, se ha determinado que en las 100 horas críticas del sistema la capacidad promedio de la línea es de 494 MW.

Es importante no dejar de hacer mención de una alternativa adicional para incrementar la capacidad de transmisión de la línea Las Delicias – Santa Fe, se trata de la repotenciación a través de conductores de alta capacidad (HTLS, high temperatura low sag). Este tipo de conductores permite duplicar la capacidad de la línea, reducir las pérdidas eléctricas entre un 25-30%, la línea tendría una mayor resistencia de tensión, resistencia a la fatiga y corrosión. Se trataría de una instalación de rápida ejecución que haría uso de la infraestructura existente de torres de transmisión⁷. No se trata de una tecnología nueva para México, recientemente la línea Texcoco – La Paz fue repotenciada con conductor de alta capacidad, además que ya existe un fabricante nacional usando tecnología ACCC.

A la luz de lo anterior, tenemos que la implementación de un sistema de monitoreo en tiempo real que permita operar la línea de transmisión Las Delicias – Santa Fe en sus límites dinámicos o repotenciar la línea con conductores de alta capacidad, representan alternativas viables al refuerzo solicitado a los proyectos renovables, lo que permitiría la incorporación de más generación limpia al Sistema Eléctrico Nacional.

*/ Maestra en Ciencias en Ingeniería Energética por el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, se desempeña actualmente como Project Development Engineer en Oak Creek Energy Systems, empresa especializada en el desarrollo de proyectos de generación de energía renovable, atendiendo los requerimientos del proceso de interconexión en México y Colombia.

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Referencias bibliográficas:

[1] Davis M. “A new thermal rating approach: The real time thermal rating system for strategic overhead conductor transmission lines. Part I – General description andjustification of the real time thermal rating system”. In: IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems 96.3 (May, 1977), pp. 803-809.

[2] Institute of Electrical and Electronics Engineers. IEEE Standard for calculating the current temperature of bare overhead conductors. IEEE Std. 738-2012.

[3] Michiorri A, Nguyen H, Alessandrini S, Bjrnar J, Dierer S, Ferrero E, Nygaard B, Pinson P, Thomaidis N and Uski S.”Forecasting for Dynamic Line Rating”. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews 52 (August 2015), pp.1713-1730.

[4] Department of Energy. Dynamic Line Rating Systems for transmission lines. Smart Grid Demonstration Program. 2017.

[5] Morozovska K and Hilber P.”Study of the monitoring systems for Dynamic LineRating”. In: The 8th International Conference on Applied Energy. March 2017.

[6] Tarín-Santiso A.V, Llamas A, Probst O. “Assessment of the potential for dynamic uprating of transmission lines in the Mexican National Electric Grid” In: Electric Power Systems Research 171 (2019), pp. 251–263.

[7] CTC GLOBAL. Engineering transmission lines with high capacity, low sag ACCC conductors. 2011.