Estimación Gráfica del Error en la Impedancia de Tierra para Estudios de Transitorios Electromagnéticos en Cables

Abstract

El uso de cables subterráneos en sistemas eléctricos de potencia es una opción cada vez más usada en la actualidad, tanto por aspectos estéticos como ecológicos, por lo que es necesario un correcto modelado del sistema de cables subterráneos. El modelado del cable se puede considerar lo suficientemente bien establecido en la literatura, sin embargo, el área del cálculo de la impedancia de retorno por tierra es un área de investigación abierta. La teoría para estudiar la propagación de los campos electromagnéticos producidos por un conductor subterráneo en un suelo imperfecto fue introducida por Pollaczek en 1926. Sin embargo, dicha formulación no tiene solución analítica para su cálculo. Por lo que se han presentado distintas técnicas de aproximación numérica para su cálculo. En esta tesis, se presenta una nueva técnica para el cálculo de la impedancia de retorno por tierra que aprovecha los trabajos anteriores para proponer una solución analítica y una numérica la cual será comparada con técnicas ya existentes. Posteriormente se utiliza la técnica como solución base para calcular imágenes de error de la impedancia de tierra de dos de las técnicas presentadas anteriormente. En estas imágenes se encuentran un amplio rango de aplicación de configuraciones de cables subterráneos, por lo que la evaluación del error del uso de distintas técnicas se encuentra de manera visual y rápida. También se presenta una metodología para calcular las impedancias de un sistema de cables subterráneos con el Método de Elemento Finito. En el Capítulo 1 se provee una breve semblanza histórica de la evolución del estudio de la impedancia de retorno por tierra, tanto en líneas aérea como en cables subterráneos. En este capítulo se enfatizan los diferentes enfoques que han sido utilizados para tratar de resolver la integral de Pollaczek. El Capítulo 2 presenta el desarrollo de la integral de Pollaczek y posteriormente se exponen cinco distintas técnicas para el cálculo de la impedancia de retorno por tierra y finalmente se realiza una comparación entre las cuatro técnicas estudiadas y la técnica propuesta en esta tesis. El Capítulo 3 presenta las versiones normalizadas de las impedancias de retorno por tierra de tres de las técnicas estudiadas anteriormente. Posteriormente se obtienen imágenes de error de la impedancia de tierra para dos de las técnicas más recientes, tomando como base la técnica propuesta en esta tesis. Y finalmente se realiza una pequeña comparación entre los resultados mostrados por las imágenes y los resultados obtenidos por tablas, el cual correspondería a un estudio clásico de error. En el Capítulo 4, se presenta la teoría necesaria para calcular las impedancias de un sistema de cables con el Método de Elemento Finito (FEM por sus siglas en ingles), realizando un especial enfoque en disminuir el número de elementos en el modelo del FEM proponiendo el uso de un mallado en capas tomando en consideración el efecto piel en la tierra. Posteriormente se sintetizan transitorios electromagnéticos en un sistema de cables subterráneos utilizando los valores obtenidos previamente y se observa el impacto de la variación de la impedancia de retorno de tierra en los voltajes y las corrientes transitorios. Finalmente, en el Capítulo 5 se incluyen las conclusiones finales de este trabajo de tesis doctoral, se proporcionan recomendaciones para investigaciones futuras y se presentan los productos obtenidos derivados de esta investigación.