Optimización Económica de la Tasa de Salida por Backflashover en Redes HVDC Juan Camilo Amaya Paulo De Oliveira (*) Universidad de los Andes Jornadas Técnicas de Transmisión/CAPT Paulo M. De Oliveira-De Jesus - https://power.uniandes.edu.co/ 22 de agosto de 2019

Contenido 1.  2.  3.  4.  5.  6. 

Introducción Antecedentes Metodología Casos de estudio Resultados Conclusiones

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Introducción Flameo Inverso (Backflashover)

Falla de apantallamiento

Sobretensiones inducidas

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Introducción Tasa de salida por flameo inverso (backflashover) T= Densidad x Probabilidad (Irayo > Icritica) [Salidas/100km/año]

Flameo inverso en una línea 500kV [1]

Densidad de descargas por km2/año [2]

[1] Ishii M, Saito M (2017) Discovery of new upward lightning phenomenon in winter, database of noteworthy contributions for science and technology. Research data (No. 1854), https://dbnst.nii.ac.jp/english/ detail/1854 [2] W. Briceño, L. Porras, A. M. Trejos. A. Sánchez, Análisis de Parámetros del Rayo sobre una Aplicación S.I.G, Interconexión Electrica S.A. 1999.

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Plan de expansión G&T 2015-2029 (UPME) Linea HVDC – dos polos Colectora 2 - Cerromatoso Pasa por una zona donde ocurren hasta 60 descargas/km2/año Las líneas HVDC son más largas. Las líneas HVDC manejan más potencia. Resolución CREG-025 de 1995: 3 salidas por 100 km por año Aranguren, D., López, J., Inampués, J., Torres, H., & Betz, H. D. (2014, October). Cloud-to-Ground Ligthning activity in Colombia and the influence of topography. In 2014 International Conference on Lightning Protection (ICLP) (pp. 1850-1855). IEEE. Jornadas Técnicas de Transmisión/CAPT Paulo M. De Oliveira-De Jesus - https://power.uniandes.edu.co/ 22 de agosto de 2019

Introducción ¿Cómo reducir la tasa de salida? •  Aumentar la longitud del aislamiento •  Reducir la resistencia de puesta a tierra de las torres de la línea •  Colocación de descargadores de ST

¿A qué precio?

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Antecedentes

G. E. Grosser, A. R. Hileman, "Economic optimization of transmission tower grounding and insulation," IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-86, no. 8, pp. 979-986, 1967.

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Antecedentes A new method to determine incremental costs of transmission lightning protection systems – De Oliveira (2019) [1]

Utilizando método EPRI y aplicado a una red HVAC [1] De Oliveira-De Jesus, P..A new method to determine incremental costs of transmission lightning protection systems. Electric Power Components and Systems, 2019.

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Metodología Solución para redes HVDC: Aplicar modelo de costo incremental (De Oliveira, 2019) a redes HVDC utilizando 4 procedimientos para la evaluación de la Tasa de Salida: [1] EPRI (Red Book)

[3] IEEE1243 – Flash Program

[2] CIGRE (1991)

[4] MonteCarlo ATP - EMTP

[1] EPRI. Transmission Line Reference Book: 345 kV and above 2nd Ed. 1982. [2] CIGRE Working Group. Guide to procedures for estimating the lightning performance of transmission lines. Technical report, 1991. [3] IEEE Std 1243-1997, IEEE Design Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines [4] F. M. Gatta, A. Geri, S. Lauria, M. Maccioni, and A. Santarpia. An ATP-EMTP Monte Carlo procedure for backflashover rate evaluation: A comparison with the CIGRE method. Electric Power Systems Research, 2014.

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Metodología

[1] De Oliveira-De Jesus, P.,A new method to determine incremental costs of transmission lightning protection systems. Electric Power Components and Systems, 2019.

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Metodología

Densidad descargas (rayos/km2/año) Longitud aislamiento (m)

Resistencia SPAT (impulso. ohms)

Regresor estadístico

[1] De Oliveira-De Jesus, P..A new method to determine incremental costs of transmission lightning protection systems. Electric Power Components and Systems, 2019.

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Metodología Problema de optimización Sujeto a:

[1]

[1] De Oliveira-De Jesus, P..A new method to determine incremental costs of transmission lightning protection systems. Electric Power Components and Systems, 2019.

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Metodología Lagrangiano

[1] De Oliveira-De Jesus, P..A new method to determine incremental costs of transmission lightning protection systems. Electric Power Components and Systems, 2019.

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Metodología Cálculo tasa de salida

[1] Longitud aislamiento (m) Resistencia SPAT (impulso. ohms) Densidad descargas (rayos/km2/año) Regresor estadístico [1] De Oliveira-De Jesus, P..A new method to determine incremental costs of transmission lightning protection systems. Electric Power Components and Systems, 2019. Jornadas Técnicas de Transmisión/CAPT Paulo M. De Oliveira-De Jesus - https://power.uniandes.edu.co/ 22 de agosto de 2019

Metodología Métodos de evaluación BFR: •  EPRI Red Book 1982 •  CIGRE 1991 •  IEEE1243 – Flash Program •  Métodos de MonteCarlo – ATP

[1] EPRI. Transmission Line Reference Book: 345 kV and above 2nd Ed. 1982. [2] CIGRE Working Group. Guide to procedures for estimating the lightning performance of transmission lines. Technical report, 1991. [3] IEEE Std 1243-1997, IEEE Design Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines [4] F. M. Gatta, A. Geri, S. Lauria, M. Maccioni, and A. Santarpia. An ATP-EMTP Monte Carlo procedure for backflashover rate evaluation: A comparison with the CIGRE method. Electric Power Systems Research, 2014.

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Metodología Modelo simulado en ATP-EMTP

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Metodología Modelo de costos

Longitud: 1 a 40 metros Profundidad: 1 metro

Tipos de electrodos

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Metodología Modelo de puesta a tierra:

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Metodología •  Costos de puesta a tierra



[1]

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Caso de estudio 1 1. EPRI – Transmission Line Reference Book - Datos Voltaje de operación: 345kV (bipolar) Cables de guarda: 2 Número de torres: 300 Longitud de la línea: 100 km

Torre de la línea

[1] EPRI. Transmission Line Reference Book: 345 kV and above 2nd Ed. 1982.

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Caso de estudio 1 1. EPRI – Transmission Line Reference Book

[1] EPRI. Transmission Line Reference Book: 345 kV and above 2nd Ed. 1982.

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Resultados 1. EPRI – Transmission Line Reference Book Descargas atmosféricas a la línea por 100km-año Método

Descargas a línea por 100 km - año

EPRI

72

IEEE – Flash

95

CIGRE

95

MonteCarlo – Modelo electrogeométrico

56

[1] EPRI. Transmission Line Reference Book: 345 kV and above 2nd Ed. 1982.

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Resultados 1. EPRI – Transmission Line Reference Book Probabilidad de ocurrencia de backflashover Método

Probabilidad AC

Probabilidad DC

EPRI

2.55%

2.15%

IEEE – Flash

3.13%

2.09%

CIGRE

1.51%

1.23%

MonteCarlo – ATP

2.50%

2.30%

[1] EPRI. Transmission Line Reference Book: 345 kV and above 2nd Ed. 1982.

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Resultados 1. EPRI – Transmission Line Reference Book Tasa de salida de la línea por 100 km - año Método

BFR AC

BFR DC

EPRI

1.1

0.93

IEEE – Flash

1.79

1.19

CIGRE

0.86

0.64

MonteCarlo – ATP

0.84

0.77

[1] EPRI. Transmission Line Reference Book: 345 kV and above 2nd Ed. 1982.

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Resultados 1. EPRI – Transmission Line Reference Book

Ej. Para IEEE y una tasa de salida de 0.4 salidas/100km – año, la inversión necesaria es 3.402 MUS$

[1] EPRI. Transmission Line Reference Book: 345 kV and above 2nd Ed. 1982.

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Resultados 1. EPRI – Transmission Line Reference Book

Ej. Para reducir en IEEE de 0.2 a 0.19 se debe invertir 0.16 MUS$ adicional

[1] EPRI. Transmission Line Reference Book: 345 kV and above 2nd Ed. 1982.

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Resultados 1. EPRI – Transmission Line Reference Book

[1] EPRI. Transmission Line Reference Book: 345 kV and above 2nd Ed. 1982.

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Resultados 1. EPRI – Transmission Line Reference Book

[1] EPRI. Transmission Line Reference Book: 345 kV and above 2nd Ed. 1982.

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Caso de estudio 2 Colectora 2 – Cerromatoso - Datos

Trazado de la línea. Tomado de UPME_ Plan de Expansion G&T 2015-2029 Jornadas Técnicas de Transmisión/CAPT Paulo M. De Oliveira-De Jesus - https://power.uniandes.edu.co/ 22 de agosto de 2019

Caso de estudio 2 Colectora 2-Cerromatoso 345kV - Datos Voltaje de operación: 345kV (bipolar) Cables de guarda: 1 Número de torres: 2090 Longitud de la línea: 700 km

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Caso de estudio 2 Colectora 2 – Cerromatoso - Datos

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Resultados Caso Colectora 2 – Cerromatoso

Ej. Para IEEE y una tasa de salida de 0.4 salidas/100km – año, la inversión necesaria es 57.3 MUS$

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Resultados Caso Colectora 2 – Cerromatoso

Ej. Para reducir en IEEE de 0.2 a 0.19 se debe invertir 8.65 MUS$ adicional

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Resultados Caso Colectora 2 – Cerromatoso

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Resultados Caso Colectora 2 – Cerromatoso

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Conclusiones •  Los criterios para el control de flameos inversos para redes HVDC son mas exigentes que en HVAC. Resolución CREG-025 de 1995 (3 salidas por 100 km por año) debe ser revisada. •  Garantizar confiabilidad no puede ser a cualquier costo. Para cada nivel de confiabilidad deseado es posible utilizar el método de Hileman y optimizar la inversión en medidas de mitigación de los efectos de los flameos inversos (puesta a tierra & aislamiento).



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