Ligeros, seguros y eficaces

Sencillo y agradable
Ligeros, seguros y
eficaces
Los sistemas de cables HVDC Light ® representan el futuro del transporte de la electricidad
Anders Gustafsson, Marc Jeroense, Johan Karlstrand
A medida que la población mundial sigue creciendo,
los recursos se van limitando. Los mayores niveles de
población precisan de más superficie de tierra, así como
de unos adecuados servicios de electricidad, agua y
comunicaciones que se deben facilitar de forma que se
cumplan las nuevas disposiciones obligatorias sobre
medio ambiente. Por su parte, el sector energético ha
estado haciendo sus deberes para encontrar formas
seguras e innovadoras que permitan aumentar el transporte
de electricidad en corredores energéticos manteniendo
al mínimo el impacto ambiental.
Una empresa particularmente activa en este campo
es ABB. Desde hace años, la empresa ha desarrollado
funciones de transporte que no sólo proporcionan más
electricidad a las personas, sino que lo hacen de forma
segura e invisible. Gracias a los cables HVDC Light ® ,
los sistemas de transporte son más compactos y eficaces,
exigen poco mantenimiento y respetan el medio
ambiente.
52 Revista ABB 2/2008

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Los recursos de la Tierra se
van limitando cada vez más.
La construcción de infraestructuras
que satisfagan las crecientes
necesidades de la población
se está convirtiendo, si no lo
ha hecho ya, en un problema
crucial. Tanto si les gusta como
si no, las compañías de electricidad,
agua y comunicaciones
se ven ahora, más que nunca,
obligadas a encontrar formas
de prestar más servicios empleando,
en muchos casos, la
misma infraestructura de forma
más compacta, eficaz y ecológica.
Por ejemplo, el sector energético
ha estado investigando formas
de aumentar el transporte de electricidad
por los corredores ya existentes.
Además, con arreglo al marco establecido
por la Comisión Europea (CE) en
2003 [1], se debe aumentar el comercio
de electricidad entre los países miembros.
Puesto que este aspecto está
actualmente por debajo del desarrollo
alcanzado por otros sectores de la economía,
debe construirse un gran número
de interconexiones, ya sea por tierra
o por mar.
Un sistema de CC
mejora la capacidad de
transporte, sufre menos
pérdidas, es muy
ecológico y las longitudes
de transporte no tienen
prácticamente límite
gracias a la eliminación
de las corrientes
capacitivas.
En cualquier caso, para satisfacer las
demandas de la creciente población y
las estrictas normas, muchos proveedores
se enfrentan ahora a tres cuestiones
muy importantes:
Cuánto se puede aumentar la potencia
por metro cuadrado de terreno ocupado;
Cuánto se pueden reducir los efectos
medioambientales con las mismas
o mejores tecnologías y/o fiabilidad
(o ambas);
Cómo se deben gestionar los riesgos
que se corren.
1 Comparación entre cables HVAC y HVDC Light
Cables de CA
Pérdidas óhmicas en el conductor
Pérdidas inducidas en el conductor
Pérdidas inducidas en el aislante
Pérdidas inducidas en cables próximos
Corriente en el cable debida a la longitud
3 cables
Esfuerzo de campo
medio (kV/mm)
20
15
10
5
0
HVAC
HVDC Light
El transporte de electricidad
en el sector energético
Actualmente, la mayoría de la energía
eléctrica se transporta mediante corriente
alterna clásica (CA), porque la transformación
de una tensión a otra es relativamente
sencilla. En las zonas rurales
se suelen usar los tendidos aéreos para
el transporte a largas distancias, mientras
que para las zonas urbanas son adecuados
los cables de alimentación. Los
cables submarinos de CA se utilizan
para distancias limitadas en mares y
lagos.
Sin embargo, los sistemas de transporte
de CA tienen algunas limitaciones técnicas,
como la generación y el consumo
de energía reactiva y la ausencia de
control del flujo de potencia. Se utilizan
técnicas de compensación, como los
dispositivos FACTS, para limitar los efectos
de la generación y el consumo de
energía reactiva. Además, en comparación
con los tendidos aéreos, los cables
de CA tienen mayores corrientes de carga
capacitiva, lo que limita su capacidad
para transportar electricidad a grandes
2 Cables terrestres HVDC Light ® extruidos
Cables de CC
Pérdidas óhmicas en el conductor
Cables de CA
distancias. También existen
aspectos medioambientales
por lo que se refiere a los
campos eléctrico y magnético
que rodean los tendidos
aéreos y los cables de CA.
Se pueden eliminar estas
limitaciones si el transporte
se hace mediante corriente
continua (CC). Un sistema de
CC mejora la capacidad de
transporte, sufre menos pérdidas,
es respetuoso con el
medio ambiente y las longitudes
de transporte no tienen
prácticamente límite a causa
de la eliminación de las corrientes capacitivas.
Además, el transporte con CC es
muy ecológico. Sin embargo, ya que la
energía eléctrica se genera como CA en
una central y se suministra a los consumidores
también como CA, un transporte
por HVDC necesita la conversión de
CA a CC y de CC a CA en cada extremo.
Para ello se utilizan principalmente dos
técnicas, el clásico convertidor de fuente
de corriente (LCC) y el convertidor de
fuente de tensión (VSC).
Las ventajas principales
de los cables HVDC
Light ® con respecto a sus
homólogos HVAC son el
peso y las dimensiones
menores, que se traducen
en una densidad de
potencia mayor.
Transporte por HVDC y HVDC Light ®
La técnica tradicional HVDC (alta tensión
en corriente continua) la empezó a
aplicar ASEA en Suecia en 1954. HVDC
Light ® es una tecnología relativamente
nueva para el transporte de electricidad,
desarrollada por ABB en la década de
1990. Se conoce también como “transporte
invisible de electricidad”, puesto
que se basa en cables subterráneos. Las
ventajas principales de los cables HVDC
Light ® con respecto a sus homólogos
HVAC (alta tensión en corriente alterna)
son el peso y las dimensiones menores,
que se traducen en una densidad de
potencia mayor 1 . En otras palabras, la
energía que se puede transportar por
kilo gramo de cable es mayor para los
Revista ABB 2/2008
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cables HVDC Light ® que para los HVAC.
Las razones principales para ello son:
Los cables HVDC Light ® trabajan con
mayores intensidades de campo, por
lo que el aislamiento es más delgado
que el de los cables HVAC.
Los conductores de los cables HVAC
se deben dimensionar teniendo en
cuenta las pérdidas por efecto Kelvin,
por efecto de proximidad, por pérdidas
inducidas en apantallamientos y
revestimientos, y en el caso de cables
submarinos, por pérdidas inducidas
en las armaduras. Los cables HVDC
Light ® sólo tienen que dimensionarse
teniendo en cuenta las pérdidas óhmicas.
Un sistema HVAC precisa tres cables,
mientras que uno HVDC sólo necesita
dos.
Los sistemas de cables de polímero
HVDC Light ® 2 han sido desarrollados,
instalados y se encuentran en servicio
con niveles de tensión entre 80 kV y
150 kV. Estos sistemas instalados cubren
márgenes de potencias entre 50 MW [2]
y 350 MW [3].
Se prevé que la demanda futura para
el transporte HVDC y, en particular,
para los cables HVDC va a aumentar.
El hecho de que se pueda enterrar este
sistema de transporte de energía eléctrica
a grandes distancias hace que el
sistema HVDC Light ® de ABB sea muy
atractivo. Actualmente, el mercado tradicional
y la fuerza técnica impulsora que
se hallan detrás del uso de los sistemas
de cables HVDC es el transporte submarino
a grandes distancias, necesario
en especial si hay que conectar redes
asíncronas 1) . Pero la introducción de los
cables VSC y HVDC de polímero extruidos
ha ofrecido la posibilidad de un
nuevo mercado para los sistemas HVDC
Cuadro Comparación entre distintos sistemas de transporte por cable
HVAC XLPE
Cables
220 kV nominales 200–500 MVA
400 kV nominales 400–1000 MVA
Anchura de terreno
afectado
MVA/m para
220–420 kV
Light ® . Por ejemplo, los lugares remotos
con redes débiles se pueden conectar
con facilidad, como en el caso de los
generadores eólicos 2) [4] y las plataformas
petrolíferas y de gas [5]. Se ha
observado que el tendido subterráneo
es un importante agente activador del
mercado. Detrás de este fenómeno se
encuentran las nuevas y exigentes
normas europeas en materia de campos
electromagnéticos, los “trámites para
permisos” de tendidos aéreos, que
entrañan más dificultad y exigen más
tiempo (en especial, en Europa), y la
creciente opinión pública de que se
precisan soluciones con mayor valor
estético.
Por encima de todo, se considera que
un sistema HVDC Light ® sólido constituye
una solución con escaso mantenimiento
y una alta rentabilidad.
Aumento de la potencia por metro
cuadrado de terreno ocupado
En el Cuadro se muestra una comparación
entre los cables HVAC XLPE, HVDC
Light ® y los tendidos aéreos para sistemas
con valores nominales entre 220 kV
y 400 kV. En la misma tabla se presenta
asimismo la anchura del ROW (derecho
de paso) o anchura del terreno afectado.
Por lo que se refiere al transporte de
electricidad, se puede ver en la tabla
que un sistema HVDC Light ® es entre
25 y 30 veces más compacto que el sistema
de tendido aéreo equivalente. Si se
compara también la potencia por kilogramo
de ambos, el sistema de cables
HVDC es entre 15 y 25 veces más eficaz.
Fiabilidad
El primer sistema comercial de cables
HVDC Light ® se instaló en Suecia en
HVDC Light ®
Cables
100–300 MVA
(150 kV)
300–1000 MVA
(320 kV)
Tendido aéreo
300–800 MVA
500–2000 MVA
1–2 m 0.5–1 m 40–60 m
200–500 MVA/m 200–1000 MVA/m 7.5–33 MVA/m
1999. Se conectó un parque eólico en
el extremo meridional de la isla Gotland
con la ciudad de Visby, también en
Gotland, mediante una línea de 80 kV
y 50 MW. Desde entonces se han realizado
otros proyectos, incluido el proyecto
Estlink, un enlace de 150 kV y
350 MW [3]. En menos de una década
se han instalado casi 1.500 km de cables
HVDC Light ® , con otros 400 km en
marcha, lo que demuestra que HVDC
Light ® es realmente una tecnología
madura y fiable. Además de esto, están
en servicio actualmente unos 500 empalmes
de cable. Se puede comparar
con los más de 1.700 km de cable
impregnado en masa instalados por
ABB desde 1953.
Instalación
El peso, relativamente ligero, y las
pequeñas dimensiones (que permiten
un pequeño número de empalmes) y
la resistencia mecánica de los cables
HVDC Light ® tienen una influencia positiva
en los gastos de instalación, que
constituyen una parte importante del
coste de inversión total. Si a esto se añaden
los nuevos equipos desarrollados
para instalación en tierra, se deduce que
la relación entre los costes de los sistemas
de tendidos aéreos y los que se
basan en los cables de polímero HVDC
es, en función de la longitud y las condiciones
de los circuitos, comparativamente
baja.
En la actualidad, se facilita la instalación
mediante máquinas de tendido mecánico
del cable con cortadoras de disco y
dispositivos automáticos para el rellenado
de zanjas. Las infraestructuras existentes
suelen tener composiciones definidas
para el suelo y la instalación es
más fácil si se pueden evitar las rocas,
etc. En un proyecto en Australia se tendieron
los cables HVDC Light ® 3 a una
velocidad de entre uno y tres kilómetros
al día [6, 7]. Esto sólo es posible con la
tecnología HVDC Light ® y los diseños
de cables delgados HVAC XLPE.
Notas a pie de página
1)
Para este tipo de conexiones se emplea tradicionalmente
cable aislado con papel.
2)
Una de las características del HVDC Light ® es su
mayor capacidad para estabilizar la tensión de CA
en los terminales. Esto reviste especial importancia
en los parques eólicos, en los que la variación de
la velocidad del viento puede ocasionar grandes
fluctuaciones de tensión.
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Los cables HVDC Light ® se pueden instalar
en tierra y en el mar. Su peso, relativamente
pequeño, y sus dimensiones
influyen bastante en la cantidad de cable
que se puede enrollar en un tambor,
o en la cantidad que se puede transportar
en un buque de instalación de cable.
3 Tendido de cable HVDC Light ® en Australia: a Transporte de los grandes tambores de cable.
b Preparación del lecho del cable con una excavadora de cadenas (izquierda) y una máquina para
rellenado de zanjas (derecha). c La estrecha zanja típica para el cable, que apenas altera el medio.
a
c
Efectos medioambientales
Además de las ventajas económicas de
emplear menos terreno para los sistemas
de transporte en las infraestructuras
existentes, el impacto medioambiental
es también menor cuando se emplea
HVDC Light ® . Por ejemplo, un sistema
de tendido aéreo que discurre a través
de un bosque se traduce en una pérdida
de captación de CO 2
, puesto que los
árboles convierten el dióxido de carbono
de la atmósfera en forma de carbono
almacenado en la madera. De hecho,
una línea de 400 kV que pase a través
de un bosque supone una pérdida de
transformación de 42 toneladas de CO 2
por km y año [7].
El campo magnético de la Tierra origina
grandes corrientes convectivas de CC en
su interior. Este campo magnético natural
varía entre 30 y 60 µT para diferentes
latitudes de la superficie de la Tierra.
El mismo tipo de campo magnético se
produce en un cable HVDC Light ® y no
se considera insalubre para el cuerpo
humano. Un cable de CC producirá un
campo magnético de entre 5 y 10 µT a
un metro por encima de la superficie
del suelo. Esto se va a superponer al
campo magnético natural de la Tierra,
lo que viene a ser que el efecto magnético
de un cable de CC corresponde
a haber viajado de sur a norte de la
Tierra. Esto no se considera peligroso
desde el punto de vista magnético. En
relación con un campo de CA, en algunos
países se ha planteado un debate
al respecto y se han establecido ciertos
límites como precaución, pero aún no
se ha llegado a conclusiones definitivas.
Seguridad
El tendido y la instalación de cables a lo
largo de carreteras o de otras infraestructuras
suele ser más fácil que campo
a través. Las posiciones y la localización
de los cables se pueden definir con los
sistemas empleados para trazar las carreteras
o las vías férreas. Los departamentos
responsables de las carreteras o las
vías férreas nacionales suelen disponer
de sistemas muy buenos para hacerlo.
b
En Suecia, todas las carreteras tienen
unas coordenadas fijas en un sistema
GPS, lo que supone que otros servicios
como los de cables eléctricos, cables de
fibra, etc., se pueden colocar y registrar
de la misma forma. Por tanto, se reduce
el riesgo de daños a terceras partes.
Además, un sistema de HVDC Light ®
anulará la corriente de cortocircuito
unas 15–20 veces antes que en las líneas
clásicas de CA y esto tendrá un efecto
positivo sobre el riesgo para la población.
Ventajas no invisibles
El empleo de cables extruidos HVDC
Light ® para el transporte de electricidad
tiene varias ventajas. La más evidente es
que los cables que se tienden bajo tierra
hacen invisible el transporte de la energía
eléctrica. Si a ello se añaden las otras
ventajas del empleo de cables de CC,
como los aspectos relacionados con
el medio ambiente y la seguridad, así
como la posibilidad de transportar la
electricidad a grandes distancias, significa
que se puede conseguir con mayor
facilidad un transporte más confortable.
Anders Gustafsson
Marc Jeroense
Johan Karlstrand
Sistemas eléctricos de ABB
Karlskrona, Suecia
anders.h.gustafsson@se.abb.com
marc.jeroense@se.abb.com
johan.p.karlstrand@se.abb.com
Referencias
[1] Reglamento (CE) nº 1228/2003, de 26 de junio de 2003, relativo a las condiciones de acceso a la red para el
comercio trans fronterizo de electricidad.
[2] S. Green, “HVDC Systems Gotland: the HVDC pioneer” (Sistemas HVDC de Gotland: pioneros del HVDC),
Power Engineering International (julio de 2004).
[3] R. Pajo, I. Aarna y M. Lahtinen, “Estlink Tie Improves Baltic States System” (El enlace Estlink mejora el
sistema de los Estados Bálticos), Transmission & Distribution World (1 de abril de 2007).
[4] E.ON läßt Offshore-Windpark für 300 Millionen Euro ans Netz anschließen, Energie-Chronik (10 de septiembre
de 2007), http://www.udo-leuschner.de/energie-chronik/070910.htm)
[5] P. P. Jones, L. Stenius, “The Challenges of Offshore Power System Construction – Troll A, Electrical Power
Delivered Successfully to an Oil and Gas Platform in the North Sea” (Los retos de la construcción de sistemas
eléctricos en el mar – Suministro satisfactorio de energía eléctrica a una plataforma petrolífera y de gas
en el Mar del Norte), EWEC (2006, Atenas).
[6] I. Mattsson y cols., “Murray Link – the longest underground HVDC cable in the world” (Murray Link: el cable
HVDC subterráneo más largo del mundo), CIGRE 2004, Paper B4-103.
[7] Ravemark D., Normark B., “Ligero e invisible”, Revista ABB 4/2005, páginas 25–29.
Lectura recomendada:
Flisberg G., Englund L., Kumar A., “HVDC transmits green energy in China” (HVDC transporta energía verde
en China), Informe especial de la Revista ABB. ABB in China, páginas 15–18
Revista ABB 2/2008
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