Análisis de transitorios electromagnéticos en sistemas de cables subterráneos

Iracheta Cortez, Reynaldo (2007) Análisis de transitorios electromagnéticos en sistemas de cables subterráneos. Maestría thesis, Universidad Autónoma de Nuevo León.

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Resumen

En esta tesis se desarrolla una metodología altamente precisa para el cálculo de transitorios electromagnéticos producidos por maniobras de apertura y cierre de interruptores en sistemas de cables concéntricos subterráneos. Esta metodología es altamente precisa porque se desarrolla en el dominio de la frecuencia en el cual directamente se considera una distribución natural de las pérdidas a lo largo del sistema de cables incluyendo la dependencia frecuencial de los materiales conductores (núcleo, pantalla y armadura) y dieléctricos (etileno propileno y polietileno de cadena cruzada) presentes en cada cable del sistema. La dependencia frecuencial en cables subterráneos se modela tomando en cuenta el Efecto Piel tanto en conductores metálicos como en el suelo, mientras que en los materiales aislantes por medio de los Efectos de Relajación. En el capítulo 2 se plantean las formulaciones exactas de Schelkunoff y Pollaczek para el cálculo de impedancias en conductores cilíndricos tubulares e impedancias de tierra, estas últimas debidas a la presencia del suelo, el cual es un conductor natural adicional en el sistema. Debido a la dificultad que hasta la fecha representa resolver la integral de Pollaczek para evaluar el retorno por tierra de cables subterráneos, se propone en el capítulo 3 de esta tesis un algoritmo hibrido basado en la implementación de la solución en series propuesta por Wedepohl en 1973 para modelar los efectos del suelo. En este algoritmo híbrido se combinan una versión extendida de dichas series para el rango de baja frecuencia y el método adaptivo de cuadratura de Kronrod y Gauss-Lobatto para el rango de alta frecuencia. Las funciones matriciales de propagación del sistema de cables, H, y admitancia característica, Yc, modelan eficientemente el sistema de transmisión ya que contienen en su totalidad los modos de propagación con diferentes retardos (metálicos y de tierra) con sus múltiples resonancias. Por esta razón, los programas profesionales para simulación de transitorios electromagnéticos formulados en el dominio del tiempo (tipo EMTP/SPICE), deben de realizar ajustes racionales de éstas funciones para poder representar la dependencia frecuencial de manera precisa. En el Capítulo 4 se aplica una metodología para realizar el ajuste racional o síntesis de bajo orden en el dominio de la frecuencia de las matrices H y Yc. En éste, se aplican la técnica Vector Fitting (VECFIT) en conjunto con el Método de Brent. La técnica VECFIT permite reducir el número de polos del modelo de cables de forma precisa, eficiente y confiable mientras que el Método Brent calcula los retardos en tiempo óptimo asociados con la matriz de propagación H y con la distancia física del sistema. La importancia de conocer el retardo en tiempo radica en que se facilita el ajuste racional en frecuencia utilizando VECFIT. En el Capítulo 5 se aplica la técnica de la transformada numérica de Laplace para sintetizar la respuesta al escalón unitario de voltaje en el extremo receptor de un sistema de transmisión de cables subterráneos. Esta técnica resulta precisa porque incorpora directamente la dependencia frecuencial de los parámetros eléctricos del sistema permitiendo a su vez el control del error numérico asociado por efectos de ventaneo y “aliasing” en la señal de respuesta de voltaje del sistema. Posteriormente, se valida la eficiencia y precisión de la técnica de Laplace mediante los resultados obtenidos con el programa de simulación profesional EMTDC, basado en el dominio del tiempo, el cual emplea el modelo universal de fase o el modelo modal. Adicionalmente, se realizaron mediciones experimentales, en un cable prototipo, de la respuesta transitoria de voltaje en forma escalada en el laboratorio. Finalmente, en el Capítulo 6 se presentan las conclusiones generales de lo que el autor considera como metas y objetivos alcanzados en esta tesis y que resultan en una metodología más precisa para modelar sistemas de transmisión de energía eléctrica por cables subterráneos. Estos se resumen como: 1) desarrollo de un modelo más preciso para análisis de cables subterráneos, 2) solución de las series de Wedepohl para calculo de impedancia de tierra, 3) implementación de un algoritmo híbrido para evaluar impedancia de tierra, 4) aplicación de la técnica de VECTFIT y el método de Brent para realizar eficientemente ajustes racionales de bajo orden con identificación del tiempo optimo de viaje de la onda de voltaje, 5) síntesis de la respuesta transitoria de voltaje en el dominio de la frecuencia de un sistema de cables a través de la transformada numérica de Laplace, 6) validación por simulación con un programa de simulación profesional basado en el dominio del tiempo y por mediciones de la respuesta al escalón de voltaje en un experimento escalado en el laboratorio con un conductor prototipo.

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