Análisis térmico de un cable eléctrico aislado en diferentes condiciones de explotación

Abstract

Debido al desarrollo tecnológico, y por lo tanto; a la utilización de nuevos dispositivos eléctricos por parte de los usuarios, se ha producido un aumento en el consumo de la energía eléctrica, sobre todo; en las ciudades. Esto supone, por un lado; que los cables subterráneos se están volviendo cada vez más frecuentes en los sistemas de transporte y distribución de la energía eléctrica, y por otro lado; la necesidad de convertidores, rectificadores, grandes motores, hornos de arco, y equipos informáticos, producen un aumento de los armónicos de la corriente eléctrica. Estos armónicos producen un incremento de las pérdidas por el efecto Joule dentro del cable, y esto a su vez; causa una disminución en la capacidad de transporte de la corriente eléctrica a través del mismo. Determinar la corriente que es capaz de pasar por un conductor en diferentes situaciones es uno de los temas más antiguos y fundamentales en los sistemas de energía eléctrica, porque el paso de la corriente a través de un conductor genera calor y, la resistencia a la disipación de calor entre el cable y el medio que lo rodea, hace que la temperatura se eleve por el cable. Por este motivo, moderados aumentos de esta temperatura están dentro del rango para el que es diseñado el cable, pero temperaturas por encima de la temperatura de diseño reducen la vida útil del cable. La cantidad máxima de corriente que es capaz de pasar por un cable considerando las limitaciones térmicas se denomina ampacidad, por lo cual; una evaluación precisa de la disipación de calor a través del cable y el entorno que lo rodea, permite superar esa ampacidad para la que fue diseñado, y por lo tanto; lograr un mejor aprovechamiento del mismo. En la actualidad, no se dispone de ningún modelo matemático capaz de determinar exactamente la ampacidad de un cable, debido a la complejidad del sistema estudiado si se considera una tensión asignada superior a 150 kV. Esta complejidad se manifiesta fundamentalmente a la hora de modelar un sistema finito, a partir de un sistema infinito, para realizar este paso hay numerosos estudios con diferentes simplificaciones, y dependiendo de estas simplificaciones nos podemos aproximar más al comportamiento ideal del cable, o por lo contrario; distanciarnos de este comportamiento. Es por esto, que la mayoría de los estudios parten de una instalación real y un estudio de su comportamiento, para intentar obtener un modelo matemático. Por todo esto, el alcance de este trabajo se basa en la búsqueda de publicaciones en bases de datos relacionadas con este tema, sistemas comerciales existentes en la actualidad para la monitorización de líneas subterráneas en alta tensión, y un estudio de un caso concreto, con el objetivo de poder obtener un modelo matemático de una línea eléctrica subterránea basada en conductores aislados, teniendo como datos de partida las características de los cables, la disposición de los mismos, y los datos obtenidos con el sistema DTS de la línea. Los objetivos propuestos pueden considerarse una evolución de los trabajos iniciados por el Grupo de Tecnología Electro-Energética Avanzada, GTEA, en proyectos anteriores y en cursos focalizados en cables aéreos desnudos de tipo ACSR. Todo ello con el fin de entender, conocer, y por lo tanto; poder tener una visión clara sobre las repercusiones derivadas del aumento del consumo eléctrico, y la problemática existente en la actualidad sobre las limitaciones de la capacidad de transporte de la corriente eléctrica en las líneas subterráneas por el aumento de la temperatura. Por todo lo mencionado con anterioridad, este trabajo se va a dividir en los siguientes capítulos: 1. Introducción: Presenta el aumento del consumo eléctrico; tanto a nivel mundial como español, el estado actual del sistema eléctrico español, así como la normativa vigente. 2. Estado del arte: Narra la evolución histórica de esta tecnología, intentando cotejarla con las publicaciones existentes. 3. Descripción del caso de estudio: Se presentan las tecnologías existentes dentro de este campo y se hace una breve descripción de una aplicación real de esta tecnología. 4. Análisis del caso de estudio: Presenta los procedimientos seguidos para su estudio y los resultados de los mismos. 5. Conclusión: Expone las principales ideas que se obtienen a lo largo del trabajo. Queda fuera del alcance de este trabajo la descripción de la ubicación, así como cualquier otro dato que pueda comprometer el anonimato de la línea. También, queda fuera del alcance de este trabajo la obtención de un modelo matemático general para cualquier línea subterránea, ya que esto es prácticamente imposible debido a las variaciones de las características de las líneas subterráneas por diferentes motivos, como pueden ser: Las condiciones físicas y estructurales, las condiciones ambientales, tipo de sustrato que las rodean, el efecto de los armónicos, etc. El contenido de este documento es una obra propiedad intelectual cuya explotación y divulgación corresponde, de forma exclusiva, al GTEA. En consecuencia, deberán de tenerse presentes la Directiva 2001/29/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, del 22 de mayo de 2001, y el Real Decreto Legislativo 1/1996, del 12 de abril.