Estimación de la impedancia de retorno por tierra en cables subterráneos mediante subdivisión de conductores y elemento finito

Abstract

Para efectuar estudios de transitorios electromagnéticos en sistemas de cables subterráneos se requiere contar con modelos precisos de las componentes del sistema. Estos modelos están descritos por los parámetros eléctricos dependientes de la frecuencia (impedancia en sus componentes resistiva e inductiva), por lo que el cálculo preciso de estos parámetros, en un amplio rango de frecuencias, es necesario para el correcto estudio del sistema. El cálculo de los parámetros eléctricos en sistemas de cables subterráneos se divide en dos casos de análisis principales: la impedancia de los conductores físicos de los cables y la impedancia de retorno por tierra. En sistemas de cables subterráneos, estos parámetros eléctricos son altamente influenciados por la tierra circundante. Por ello, la impedancia de retorno por tierra propia de un cable y la impedancia de retorno por tierra mutua entre los cables que conforman el sistema son considerados como parámetros de suma importancia en el modelado. En la literatura existen dos formulaciones generales para el cálculo de impedancias en sistemas de cables, los métodos analíticos y los numéricos. Aunque ambas formulaciones han sido bien definidas para el cálculo de impedancias en los cables, poco trabajo se ha desarrollado en el uso de métodos numéricos para dar solución al problema de impedancia de retorno por tierra. En este trabajo se hace uso de los métodos numéricos, basados en subdivisión de conductores y elemento finito, para obtener una aproximación de la impedancia de retorno por tierra en sistemas de cables subterráneos. Se describe la formulación que emplea cada método para el cálculo de impedancias y se establece la metodología para implementar dos modelos, uno basado en el método de subdivisión de conductores y otro basado en elemento finito, enfocados al cálculo de la impedancia de retorno por tierra tanto propia de un cable, como mutua entre los cables que conforman un sistema subterráneo. La precisión de los parámetros eléctricos resultantes, en un amplio rango de frecuencias, se valida con la aproximación analítica presente en la literatura y se evalúa el error relativo porcentual de los resultados obtenidos. Finalmente, se presentan las conclusiones obtenidas en los casos de estudio, así como sugerencias para trabajos futuros.