Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids

Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 0 - MEMÒRIA Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 1 - ÍNDEX Pàg Capítol 0: Introducció Antecedents i finalitat del projecte ............................................................. 4 Objecte del projecte ................................................................................ 4 Capítol I: Les descàrregues atmosfèriques 1. El fenomen del llamp ............................................................................... 7 1.1. El llamp ..................................................................................... 7 1.2. Tipus de descàrregues ................................................................. 7 1.3. Procés de formació d’una descàrrega elèctrica atmosfèrica ............... 8 1.4. Corrents de retorn ...................................................................... 11 1.5. Models dels corrents de retorn i els camps electromagnètics ............. 15 1.5.1. Models dels corrents de retorn ......................................... 16 1.5.1.1. Model de la línia de transport (TL) ................... 17 1.5.1.2. Model modificat de la línia de transport lineal (MTLL) ............................................................ 18 1.5.1.3. Model modificat de la línia de transport exponencial (MTLE) .......................................... 19 1.5.2. Els camps electromagnètics ............................................. 20 1.5.3. Camps electromagnètics amb terra perfectament conductora 22 1.5.4. Camps electromagnètics amb conductivitat del terra finit ..... 23 Capítol II: Les sobretensions 2. Sobretensions ......................................................................................... 26 2.1. Tipus de sobretensions ................................................................ 26 2.1.1. Sobretensions temporals................................................. 27 2.1.2. Sobretensions de maniobra ............................................. 27 2.1.3. Sobretensions tipus llamp ............................................... 28 2.2. Sobretensions induïdes per descàrrega atmosfèrica en línies aèries .... 29 2.2.1. Model d’acoblament d’Agrawal ......................................... 31 2.2.2. Influència de la tortuositat del canal de la descàrrega sobre les tensions induïdes ...................................................... 37 2.3. Metodologies d’avaluació per impactes a una línia ........................... 38 2.3.1. Densitat de llamps a terra ............................................... 39 2.3.2. Número de descàrregues sobre una línia de transport o distribució ..................................................................... 39 2.3.3. Paràmetres del llamp: distribució de corrent ...................... 40 2.4. Efectes d’impactes directes i indirectes .......................................... 40 2.5. Estadística des del punt de vista de la protecció .............................. 42 2.5.1. Estudi de risc ................................................................. 44 Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 2 - Capítol III: Smartgrids 3. Smartgrids ............................................................................................. 49 3.1. Concepte ................................................................................... 49 3.2. Estructura de la xarxa convencional .............................................. 51 3.3. Estructura de les Smart Grids ....................................................... 52 3.3.1. Funcionament de la xarxa intel·ligent ................................ 54 3.3.2. Tecnologia, sistemes i nivells de les Smart Grids ................ 56 3.3.3. Microxarxes ................................................................... 59 3.3.4. El paper de les TIC a les Smart Grids ................................ 62 3.3.5. Beneficis associats a les xarxes intel·ligents ...................... 67 3.4. Resum ....................................................................................... 67 Capítol IV: Possibles conflictes i solucions de les descàrregues atmosfèriques sobre les Smart Grids 4. Possibles conflictes i solucions de les descàrregues atmosfèriques sobre les Smart Grids ............................................................................................ 71 4.1. L’electrònica ............................................................................... 71 4.2. Detecció i localització de faltes ...................................................... 72 4.2.1. La tecnologia “Self-Healing” ............................................. 73 4.3. Els efectes dels llamps sobre les xarxes intel·ligents ........................ 77 4.3.1. Problemes que poden ocasionar els llamps ........................ 77 4.3.2. Efecte sobre les Smart Grids ............................................ 83 Capítol V: Conclusions 5. Conclusions ............................................................................................ 86 Referències i bibliografia Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 3 - CAPÍTOL 0: INTRODUCCIÓ Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 4 - CAPÍTOL 0: INTRODUCCIÓ Antecedents i finalitat del projecte Avui en dia, s’està avançant cap a un model energètic més eficient i sostenible. Per una banda es pretén millorar la qualitat de subministrament elèctric, és a dir, evitar qualsevol tipus de pertorbació, variació en la tensió i evidentment, els talls en el subministrament. Per altre banda, es pretén augmentar l’aportació d’energia procedent de fonts renovables, per tal d’utilitzar una energia més neta i contribuir en la millora dels problemes mediambientals que existeixen. Les xarxes actuals, malgrat incorporar l’actuació remota, no són intel·ligents, és a dir, davant d’un conflicte, no poden gestionar-se per elles mateixes. Cal la intervenció humana. A més, no incorporen suficient infraestructura per permetre una comunicació i transmissió de la informació bidireccional des de qualsevol punt de la xarxa. Per tal de poder arribar a tenir un sistema elèctric intel·ligent, seria necessari, que les xarxes elèctriques actuals poguessin gestionar l’energia d’una manera efectiva, eficient i segura per l’usuari i per la xarxa en sí. Des de la generació fins al consumidor final caldria implementar tot tipus d’elements intel·ligents i tecnologia de la informació i la comunicació, per gestionar qualsevol tipus d’acció. Cal tenir en compte, però, que malgrat la intel·ligència que pugui haver-hi a la xarxa, sempre apareixeran conflictes i faltes a resoldre. És cert, que amb la tecnologia que s’aplica a les xarxes intel·ligents, la gestió d’aquests problemes es simplifica, però no en tots els casos o àmbits. Un exemple serien les sobretensions i els defectes produïts per les descàrregues atmosfèriques, que no es poden evitar i són un risc potencial per qualsevol sistema elèctric ubicat en el radi d’activitat d’una tempesta elèctrica. Per tant, com que aquests dos temes, els llamps i les xarxes intel·ligents, són tant distants però propers alhora, amb aquest projecte, es pretén: per una banda, analitzar les descàrregues atmosfèriques, és a dir, com es formen, quina energia tenen i quins són els efectes que poden tenir sobre un sistema elèctric. I per altre banda, donar a conèixer les xarxes intel·ligents de tal manera que es pugui arribar a veure de quina manera les Smart Grids poden gestionar els danys que ocasionen els llamps sobre les xarxes elèctriques. Objecte del projecte L’objectiu principal d’aquest projecte és determinar, com les Smart Grids poden arribar a solucionar els defectes ocasionats per les descàrregues atmosfèriques. Per tal de poder arribar a l’objectiu principal, cal definir-ne d’altres. El primer és analitzar el fenomen del llamp, és a dir, com es forma, quines característiques té i quins són els efectes sobre les línies elèctriques des del punt de vista de qualitat del subministrament. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 5 - Un segon objectiu és definir les xarxes intel·ligents, tant les seves característiques com la manera de funcionar, tractant principalment els punts que es poden veure afectats per una descàrrega atmosfèrica. I també veure les solucions que ofereixen les xarxes intel·ligents a aquests defectes. Finalment, es vol aprofundir en com, si es disposa de xarxes intel·ligent, quan es preveu la proximitat de descàrregues elèctriques que puguin afectar al sistema, es podria utilitzar aquesta intel·ligència per tal d’evitar l’afectació de la línia. I per tant, concloure si hi ha un possible nexe d’unió entre el llamp i les Smart Grids i a través de quins sistemes es poden unir. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 6 - CAPÍTOL I: DESCÀRREGUES ATMOSFÈRIQUES Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 7 - CAPÍTOL I: DESCÀRREGUES ATMOSFÈRIQUES 1. El fenomen del llamp Per tal de tenir visió general de què és una descàrrega atmosfèrica, en aquest primer capítol s’explica què és, com es forma, les corrents de descàrrega de reton i els camps electromagnètics associats al llamp. 1.1. El llamp El llamp és una transferència de càrrega elèctrica que genera altes corrents i està compost de diverses descàrregues de retorn i amb un durada total al voltant de mig segon. O també es pot definir com la igualació violenta de càrregues d’un camp elèctric que s’ha creat entre un núvol i la terra (o la terra i un núvol), entre núvols o entre un núvol i l’aire. Aquesta descàrrega elèctrica va acompanyada d’una forta emissió de llum: el llampec; i degut a l’escalfament i expansió sobtada de l’aire i del seu voltant, es produeix el so característic del llamp: el tro. El llamp és un fenomen freqüent i inevitable com el vent o la pluja. Si bé existeixen símptomes clars que precedeixen l’aparició de descàrregues atmosfèriques, no és possible predir, amb certesa, el moment, lloc d’impacte ni tampoc la intensitat dels seus paràmetres. Totes les mesures realitzades serveixen per ser acumulades i analitzades en termes estadístics, que permeten, posteriorment, parlar sobre probabilitat d’aparició d’aquest o aquell tipus de descàrrega. El fenomen del llamps s’ha estudiat sèriament des de fa més d’un segle, i s’ha arribat a determinar i mesurar, en els últims 30 anys, amb un grau elevat de minuciositat, les característiques de les descàrregues elèctriques a l’atmosfera. 1.2.Tipus de descàrregues Es coneixen 5 tipus de llamps: entre els núvols i la terra o la terra i els núvols, dins un mateix núvol, entre núvols diferents, entre un núvol i l’aire o entre els núvols i les capes altes de l’atmosfera (ionosfera). La majoria de descàrregues atmosfèriques, en un 75%, no involucren la terra, per tant, només el 25% restant ho fan. Malgrat això, les descàrregues amb més interès són les de núvol-terra o terranúvol. A més a més, la transferència de càrrega pot ser positiva o negativa, però quan són entre un núvol i la terra o entre la terra i un núvol, les càrregues poden ser transportades en els dos sentits, malgrat el sentit positiu només es dona en un 10% dels llamps. Finalment, les descàrregues ascendents, tant positives com negatives, es produeixen a través d’estructures elevades de terra i es caracteritzen per no tenir descàrrega de retorn però emeten molta energia. Per tant, i fent només referència a les de major interès, s’anomenaran: Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 8 - • Descàrrega núvol-terra negativa Æ NTN • Descàrrega núvol-terra positiva Æ NTP • Descàrrega terra-núvol negativa Æ TNN • Descàrrega terra-núvol positiva Æ TNP 1.3. Procés de formació d’una descàrrega elèctrica atmosfèrica Els núvols de tempesta que es carreguen elèctricament de manera suficient per originar les descàrregues atmosfèriques són els cumulonimbus, d’un color gris molt fosc a la part baixa. L’aire càlid i humit ascendeix i es condensa formant el núvol. Si les corrents d’aire són suficientment intenses com per mantenir la temperatura del núvol per sobre de la de l’ambient, el núvol es desenvoluparà. Normalment, es divideix la tempesta en tres fases. La primera, la fase de formació, és, com el seu nom indica, la formació de la tempesta i acaba quan apareixen les primeres precipitacions. El núvol, ja presenta un cert grau d’electrificació i poden produir-se llamps en el seu interior. La segona fase o fase de maduració és la fase més activa i on es concentra l’activitat de descàrregues núvolterra o a l’inrevés. Finalment, quan els corrents ascendents no poden mantenir la temperatura del núvol amb valors superiors a la de l’ambient es produeix la tercera fase o fase de dissipació de la tempesta. Elèctricament, la terra es comporta com un gran conductor esfèric amb una càrrega neta negativa de l’ordre de 0.5·106 C. A l’atmosfera hi ha una càrrega neta positiva equivalent. Tot això fa que amb bon temps la intensitat del camp elèctric a nivell de terra sigui de l’ordre de 120V/m. Aquest camp l’origina la ionosfera, que es troba a una altura de 50 o 60 km el terra. Considerant, el sistema terra-ionosfera com un gran condensador esfèric, l’elèctrode central del qual és la terra, s’estima que el corrent total de fuga d’aquest condensador és de l’ordre de 2 kA. Quan una tempesta s’electrifica, en realitat es produeix una separació de càrregues, normalment, de manera tripolar. És a dir, un centre de càrrega positiu per les parts elevades del núvol (entre 10 i 14 km d’alçada respecte la terra a l’estiu), un centre de càrrega negatiu a sota d’aquest (entre 6 i 8 km) i, finalment, un centre de càrrega més petit i positiu gairebé a la base del núvol (entre 5 i 6 km). La base del núvol pot estar entre 1 i 3 km d’alçada de la superfície de la terra. Aquesta aparició d’estructura elèctrica del núvol altera el camp electrostàtic de bon temps i per tant, amb temps de tempesta, el camp elèctric a nivell de terra (en pla), abans de la caiguda d’un llamps, arriba a valors entre 10 i 20 kV/m. Amb aquestes xifres i tenint amb compte la distància entre el terra i la part baixa del núvol, és possible estimar que la diferència de potencial entre ambdós arribi a valors de fins a 100 MV. Les descàrregues elèctriques atmosfèriques núvol-terra negatiu descendent (NTN) són les que s’han estudiat més àmpliament. Les 7 etapes acceptades per la comunitat Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 15 - Fig. 4 a) Detall de la variació cua de l’ona de la funció de Heidler per diferents valors de τ2 Fig. 4 b) detall de la cresta de la ona de la funció de Heidler per diferents valors de τ2 Fins a aquest punt, s’ha definit la forma del corrent de retorn a la base del canal, però aquest corrent varia al llarg de tot el canal. Això implica que s’han de definir nous models del corrent de retorn per obtenir-lo en funció del punt del canal a analitzar. Aquests models permetran calcular els camps electromagnètics que es generen al voltant del canal. És el punt que es descriu a continuació. 1.5. Models del corrent de retorn i els camps electromagnètics Els models de la descàrrega de retorn expliquen l’evolució espai-temporal del corrent pel canal del llamp. Tal com s’ha començat a explicar, la definició d’aquest model, permet calcular, posteriorment, els camps electromagnètics produïts per llamp i també el càlcul de les tensions induïdes. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 16 - 1.5.1. Models del corrent de retorn Aquests models permetran la representació del camp elèctric i magnètic en qualsevol punt i instant de temps. Per poder-ho obtenir, cal obtenir el corrent i la càrrega elèctrica en qualsevol punt del canal del llamp i en qualsevol instant. Actualment, la classificació dels models de corrent per la descàrrega de retorn és aquesta: • Models gas-dinàmics o físics • Models electromagnètics • Models mitjançant circuits elèctrics amb paràmetres distribuïts • Models d’enginyeria En aquest projecte, només s’explicaran els models d’enginyeria pel fet de ser els més assequibles en quan a nombre de paràmetres necessaris i la facilitat d’obtenir el corrent en qualsevol punt del canal i en qualsevol instant i(z’,t) referit al corrent mitjà a la base del canal i(0,t). Els models d’enginyeria (o engineering models en anglès) són models basats en el coneixement de la distribució espacial i temporal del corrent o la densitat de càrrega del canal. Relacionen el corrent a la base del canal del llamp amb el comportament a diferents altures del canal i per diferents instants. Hi ha cinc models d’enginyeria, en aquest projecte es citaran tots cinc però se’n descriuran tres. Els models que s’han desenvolupat al llarg dels anys són: • Model Bruce-Golde • Model Travelling Current Source (TCS) • Model de línia de transmissió (TL) • Model de línia de transmissió lineal modificat (MTLL) • Model de línia de transmissió exponencial modificat (MTLE) Els dos últims també se’ls anomenen models de línia de transmissió modificat (MTL). Abans de descriure els tres últims models cal apuntar que Rakov en [4] va generalitzar els models de corrent de retorn mitjançant aquesta expressió: ) ' (·)'(·) ' ,0(),'( f v z tuzP v z titzi −−= (6) On: U: és la funció graó unitari retardada temporalment z’/v P(z’): és el factor d’atenuació de la corrent (variarà per cada model d’enginyeria) V: és la velocitat de propagació de l’ona de corrent pel canal vf: és la velocitat de propagació del front d’ona de la descàrrega de retorn Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 17 - 1.5.1.1. Model de la línia de transmissió (TL) En aquest model es proposa que l’ona de corrent viatja des de la base del canal fins al punt més alt sense distorsió i sense atenuació. Aquest model, es descriu matemàticament segons es veu a continuació: tvz v z titzi f·') ' (),'( ≤−= (7) tvztzi f·'0),'( > = (8) La velocitat de propagació v s’estableix amb el mateix valor que la velocitat de propagació del front d’ona, és a dir, vf=v. Per tant, es tracta el canal com una línia de transmissió sense pèrdues. Conseqüentment, de manera generalitzada, es pot escriure: ) ' (·) ' ,0(),'( ff v z tu v z titzi −−= (9) A continuació (figura 5), es mostra de forma gràfica, la simulació corresponent al corrent de retorn segons aquest model utilitzant la funció de Heidler per a l’ona de corrent. Es pot veure com el corrent de descàrrega a diferents alçades z’ es tracta com el corrent obtinguda a la base del canal retardada z’/vf. On vf és la velocitat de propagació del front d’ona i v és la velocitat de propagació de l’ona. Fig. 5: corrent de retorn i(z’,t) per z’=0m, per z’=500 m i per z’=1000 m d’alçada del canal. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 18 - 1.5.1.2. Model modificat de la línia de transmissió lineal (MTLL) En aquest model s’assumeix una atenuació lineal del corrent mentre aquest es propaga cap al punt més alt del canal. És el mateix model que l’anterior juntament amb un factor d’atenuació P(z’) lineal. On H també és l’alçada total del canal. tvz H z v z titzi f·') ' 1)·( ' (),'( ≤−−= (10) tvztzi f·'0),'( > = (11) De la mateixa manera que en el model TL, si s’estableix que vf=v, es pot tornar a escriure: ) ' (·) ' 1)·( ' (),'( ff v z tu H z v z titzi −−−= (12) A la figura següent, també es pot veure de manera esquematitzada, el corrent de retorn i(z’,t) per a z’=0, per a z’=500m i per a z’=1000 m d’alçada del canal. S’observa, que a diferència de l’anterior, l’amplitud de l’ona disminueix amb l’alçada, reduint-se a mesura que augmenta l’alçada del canal. Fig. 6 corrent de retorn segons el model MTLL Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 19 - 1.5.1.3. Model modificat de la línia de transmissió exponencial (MTLE) En aquest model, a diferència de l’anterior, s’assumeix una atenuació exponencial del corrent mentre es propaga cap al punt més alt del canal. És el mateix model que l’anterior juntament amb un factor d’atenuació P(z’) exponencial. Matemàticament s’expressa com segueix: tvze v z titzi f z ·')· ' (),'( ' ≤−= − λ (13) tvztzi f·'0),'( > = (14) En aquest cas, λ és la constant de d’atenuació que representa el grau de disminució de l’amplitud del corrent amb l’alçada. S’acostuma a prendre un valor de λ de 2000 m [5]. Aquesta atenuació permet tenir en compte les càrregues emmagatzemades per la corona del líder i les descàrregues subseqüents durant la fase de la descàrrega, ja que aquesta zona es neutralitza durant la descàrrega de retorn. Altre vegada, a la figura següent, es pot veure de manera esquematitzada, el corrent de retorn i(z’,t) per aquest model i per a z’=0, per a z’=500m i per a z’=1000 m d’alçada del canal. Fig. 7 corrent de retorn segons el model MTLE Tal com es pot observar, la diferència entre el model MTLL i el model MTLE és mínima, es percep a l’expressió matemàtica però no en la gràfic. Per tant, en aquest projecte s’adoptarà el model MTLE. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 20 - A continuació es definiran la manera de calcular els camps electromagnètics a partir d’un dipol sotmès a una corrent i(z’,t), per tal de veure l’efecte dels camps al llarg del canal de descàrrega del llamp. Es veuran dos casos, els camps electromagnètics amb terra perfectament conductora i amb conductivitat de la terra finita. 1.5.2. Camps electromagnètics Els camps electromagnètics produïts per la descàrrega de retorn s’han definit exhaustivament, ja que la descàrrega de retorn produeix una emissió de camps elèctrics i magnètics en banda ampla, principalment en l’espectre entre 0.1Hz a 100MHz [6]. El llamp, pel fet de ser un corrent elèctric variable, produeix un camp electromagnètic irradiat. La part de camp elèctric és degut a la diferència de potencial entre el núvol i la terra i el voltatge que té la pròpia descàrrega elèctrica en el moment que es produeix. Com que quan es genera aquesta descàrrega circula un corrent molt elevat, això genera un camp magnètic també elevat. El que caracteritza un camp electromagnètic és la freqüència o la longitud d’ona. Aquest camp apareix com un pertorbador dels sistemes que presenten llaços o bucles de conducció. La freqüència equivalent del camp s’ubica a la gama de les ones llargues, motiu pel qual és difícil de produir un blindatge per evitar la seva acció. Per exemple, els receptors de radio, d’amplitud modulada, reben les ones d’aquest camp inclús estant a l’interior dels edificis. Una manera de mesurar els paràmetres del llamp, és aprofitant aquest camp electromagnètic, captant-lo i registrant-lo com oscil·lografia amb una base de temps exacta i precisa que permeti la discriminació de variacions en una dècima de microsegon. En una aproximació molt simplificada, es pot acceptar que per una distància “d” suficientment allunyada del punt d’impacte, la intensitat de camp magnètic B (A/m) ve donada per la llei d’Ampère: r I B⋅⋅ = π 2(15) B (r) NÚVOL Observatori Canal ionitzat I r d Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 21 - A una distància r (m) d’un filferro rectilini infinitament llarg, pel qual circula un corrent I (A), es pot determinar una intensitat de camp magnètic. Si la descàrrega és vertical, el camp serà essencialment horitzontal. Això induirà una tensió segons la llei de Lenz. Aquestes tensions induïdes provocades per un camp magnètic procedent del corrent del llamp, són les que poden provocar les sobretensions en els sistemes propers al punt de descàrrega del llamp, és el que es pot veure a l’apartat 2.2. i, per tant, generar necessitat de protecció contra aquestes sobretensions. Molts dispositius semiconductors moderns es poden malmetre per diferències de potencial que excedeixin dels 10 volts. La tecnologia electrònica moderna tendeix, cada vegada, a produir dispositius semiconductors més petits i més ràpids. Aquests desenvolupaments han incrementat la immunitat d’aquests dispositius per ser malmesos per interferències electromagnètiques com les sobretensions transitòries. L’impacte directe o indirecte d’un llamp, genera una pertorbació electromagnètica que pot ser perjudicial per una persona, un dispositiu, un equip o sistema elèctric o electrònic igual que també ho pot ser per línies de transmissió o distribució elèctrica. El fet que una pertorbació sigui un fet potencialment perjudicial dependrà, entre d’altres factors, del següent: • Nivell de la pertorbació (magnitud i forma d’ona, rang de freqüència, contingut d’energia, etc) • Immunitat del receptor (resposta a la freqüència, condicions de disseny, presència d’elements de protecció, etc) • Condicions en les quals s’efectuï l’acoblament La generació de pertorbacions electromagnètiques que es manifesten mitjançant camps magnètics i elèctrics, corrents i sobretensions induïdes són els tres paràmetres més importants pel càlcul de nivells d’emissió per impactes de llamp. La figura 8 mostra l’espectre d’emissió electromagnètica per a la primera descàrrega de retorn a una distància de 50 km sobre terra i sobre el mar. Fig. 8 Espectre d’emissió electromagètica [14] Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 22 - 1.5.3. Camps electromagnètics amb terra perfectament conductora Es considera, tal com s’ha començat a veure, un dipol vertical de radi infinitesimal de longitud dz’ sotmès a una corrent i(z’,t) (descrites en els apartats anteriors), localitzada a una alçada del canal z’ sobre un terreny pla perfectament conductor tal com es pot veure a la figura 10. Fig. 9: Paràmetres geomètrics pel càlcul de camps Segons això, Master i Uman en [7] van obtenir les equacions de les components vertical i horitzontal del camp elèctric i del camp magnètic observat en un punt P(x,y,z). A partir d’aquí es pot obtenir el potencial vectorial magnètic com: t adz Rc R tzi dA ' ),'( ·4 0 − ⋅= π μ (17) El camp elèctric horitzontal, llavors, pren la forma matemàtica següent: ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ∂ −∂ ⋅ − − ⎢ ⎣ ⎡− − +−⋅ − ⋅= ∫tc R tzi Rc zzr c R tzi Rc zzr d c R zi R zzrdz tzrdE t r ),'( · )'·( ),'( · )'·(·3 ),'( )'(·3 ··4 ' ),,( 324 0 5 0 ττ επ (18) I el camp elèctric vertical pren la forma: ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ∂ −∂ ⋅− ⎢ ⎣ ⎡− −− +−⋅ −− ⋅= ∫tc R tzi Rc r c R tzi Rc rzz d c R zi R rzzdz tzrdE t z ),'( · ),'( · )'(2 ),'( )'(2 ··4 ' ),,( 32 2 4 22 0 5 22 0 ττ επ (19) Pla conductor infinit Imatge Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 23 - En aquestes dues últimes equacions, el primer terme s’anomena camp electrostàtic, el segons s’anomena camp induït elèctric o intermig i és el responsable de les sobretensions i, finalment, el tercer terme, s’anomena camp elèctric radiat. Cada un d’aquests termes és inversament proporcional a la distància del punt d’observació, és a dir, el seu afecte s’atenuarà en funció de l’exponent de la distància. El primer terme, per exemple, afectarà per distàncies molt properes al canal, es podria dir que menors a 1 km, el segon terme per distàncies menors a 10 km, i finalment, l’últim terme afectarà fins a distàncies molt més llunyanes del canal, aproximadament fins a 1000 km. Per acabar aquest apartat, la següent equació mostra el camp magnètic. El primer terme s’anomena camp d’inducció magnètica i el segon, camp radiat magnètic. ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ∂ −∂ ⋅ ⎢ ⎣ ⎡+−⋅⋅ ⋅ =tc R tzi Rc r c R zi R r dz tzrdB ),'( · ),'( ·4 ' ),,,( 23 0 τ π μ ϕ ϕ (20) On: I(z’,t-R/c): és el corrent al llarg del canal Z: és l’alçada del punt de mesura del camp z’: és l’alçada de la font de corrent des del pla R: és la distància des del punt font fins el punt d’observació r: és la distància des de la base del canal fins al punt d’observació per z=0 ε0: 10-9/36π [A·s/V·m] μ0: 4π·-7 [H/m] c: 3·108 [m/s] 1.5.4. Camps electromagnètics amb conductivitat del terra finit En general, el camp elèctric vertical i el magnètic horitzontal no es veuen gaire afectats per la conductivitat del terreny i, per tant, es calculen suposant un pla perfectament conductor tal com s’ha vist en el punt anterior. En canvi, el camp elèctric horitzontal si que es veu fortament afectat per la conductivitat del terreny, és per aquest motiu que hi ha dues aproximacions molt emprades a nivell mundial anomenades fórmula de wave tilt [8] i l’aproximació de Rubinstein [9]. La fórmula de wave tilt relaciona la transformada de Fourier del camp elèctric horitzontal i del camp elèctric vertical però aquesta aproximació no és molt encertada per distàncies intermitges, és per això, que a continuació només es definirà l’aproximació de Rubinstein, ja que és bona per qualsevol rang de distàncies. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 24 - Rubinstein, combina el camp elèctric horitzontal amb un terreny perfectament conductor amb un densitat de camp magnètic en funció de la freqüència i de la conductivitat del terreny, tal com s’expressa a continuació: δσ ωωω φ ⋅ + ⋅=−= )1( ),0,(),,(),,( j jzrHjzrEjzrE prpr (21) On: p: aquest subíndex indica que el camp és calculat assumint terra perfectament conductora δ: és el factor d’efecte pell σμω ⋅⋅ g 2 μg: és la permeabilitat del terreny ω: és la freqüència angular σ: és la conductivitat del terreny Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 31 - Amb aquestes dues hipòtesis s’assumeix que la propagació del corrent només passa al llarg de l’eix de la línia. També, en qualsevol secció transversal la suma de corrents és igual a zero, per tant, existeix un camí de retorn dels corrents (mitjançant el terreny o algun conductor). En aquest cas la resposta quasi-TEM d’una línia il·luminada pel canal del llamp resulta acceptable [10]. 2.2.1. Model d’acoblament d’Agrawal Malgrat que Rusck [11] va proposar un dels primers models basats en línia de transmissió per a la determinació de les tensions induïdes per camp electromagnètic del llamp núvol-terra, el model d’Agrawal et al. [12] és el més estès. El model d’Agrawal està expressat mitjançant equacions d’una línia de transmissió amb excitació distribuïda de fonts de tensió produïda per la component horitzontal del camp elèctric. El camp d’excitació a la línia pot ser qualsevol camp electromagnètic que compleixi les lleis de Maxwell. Les línies poden acabar amb qualsevol impedància arbitraria entre dos conductors qualsevol. La figura 10, representa la geometria típica on una línia aèria queda il·luminada pel camp electromagnètic creat per un canal vertical del llamp. En aquesta geometria s’escull un sistema de coordenades cartesià x-y-z, orientat de tal manera que el pla x-y coincideixi amb la superfície de la terra i el sentit positiu de l’eix z estigui ubicat sobre d’aquest i coincideixi amb el canal del llamp. Per altre banda, es posiciona una línia aïllada i llarga paral·lela a l’eix x i localitzada a una distància y0 (en metres) de l’origen, amb una alçada mitjana de la línia h0. Figura 10: Geometria per a l’avaluació de les tensions induïdes. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 32 - On xi és la distància del punt de camp sobre la línia des del punt de menor distància de la descàrrega i la y0 és la distància mínima des de la descàrrega fins a la línia. Tal com s’ha vist en l’apartat 1.5.3. el canal del llamp es tracta com un conductor de radi infinitesimal i a les equacions 18, 19 i 20 s’assumeix que el terreny és pla i perfectament conductor. Juntament amb això i seguint el model d’Agrawal, les expressions que defineixen la tensió i el corrent en qualsevol punt de la línia sota les hipòtesis que s’han descrit són: ),,(),(),( thxEtxi t Ltxu xo i x s= ∂ ∂ + ∂ ∂ (22) 0),(),( = ∂ ∂ + ∂ ∂txu t Ctxi xs (23) On: L: inductància de la línia per unitat de longitud (H/m) C: capacitat de la línia per unitat de longitud (F/m) ),,( thxE o i x: component horitzontal del camp elèctric incident (o excitació) al llarg de l’eix x y a una alçada del conductor ho i(x,t): corrent de la línia u5(x,t): tensió dispersa (scattered) La tensió total u(x,t) de la línia s’expressa com: ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −=+= ∫o h i z sis dztzxEtxutxutxutxu 0 ),,(),(),(),(),( (24) On ui(x,t) és el voltatge incident (o excitació degut a la component vertical del camp elèctric o camp incident (excitació). La figura 11 esquematitza el model d’acoblament descrit per les equacions anteriors. Figura 11: Model d’acoblament basat en les equacions d’Agrawal Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 33 - Però no sempre es pot considerar el terreny perfectament conductor. Per un terreny amb conductivitat finita, la propagació de l’ona electromagnètica té certa atenuació i presenta components més complexes. Si es reescriuen les equacions d’Agrawal de manera més compacte, s’obté: ),,(),('),( thxEtxi t Ztxu xo i x s= ∂ ∂ + ∂ ∂ (25) 0),('),( = ∂ ∂ + ∂ ∂txu t Ytxi x s (26) On: Z’: impedància de la línia Y’: admitància de la línia Les quals s’expressen de la següent manera: g ZZLjZ ++= ω ω ' (27) () g g YCjG YCjG Y++ + = ω ω · ' (28) On: L: inductància longitudinal de la línia C: capacitat transversal de la línia G: conductància transversal de la línia Zω: impedància interna del conductor Zg: impedància de terra Yg: l’admitància de terra Per una línia formada per diversos conductors, les inductàncies s’expressen: ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ =r h Loii 2 ln2 πμ (29) ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛+= ij ji os hh Lij 4 1ln 4 π μ (30) On: h: alçada de cada conductor r: radi del conductor sij: separació entre conductors Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 34 - La impedància del terreny s’obté mitjançant aquest expressió: Lj I dxzxBj Z hs y g ω ω −= ∫∞− ),( (31) On: By: component transversal del camp magnètic dispers I finalment, l’admitància de terra pren la següent expressió: g g gZ Y 2 γ ≅ (32) On: γg: constant de propagació del terreny i es defineix de la següent manera: () rgogog jj εωεσωμγ += (33) On: σg: conductivitat del terreny (S/m) εrg: permeabilitat relativa del terreny En els estudis realitzats per Rachidi et al. [13; 14] la impedància de terra Zg és del mateix ordre de magnitud que la inductància, mentre que la impedància del conductor Zω és molt menor que Zg. Per altre banda, Yg és menyspreable comparat amb l’aportació del terme 1/jωC. En base al paràgraf anterior, s’obtenen bones aproximacions menyspreant la resistència del conductor i l’admitància del terreny. Per tant, si es modifiquen les expressions d’Agrawal (25) i (26), s’obté: [][] [] [ ] [] [] ),,(),(),()(),(),( 0thxEtxiRdtxiztxi t Ltxu xo i x t iigiij s ii =+−+ ∂ ∂ + ∂ ∂∫ τττ (34) [] [] [] [] [ ] 0),(),(),( = ∂ ∂ ++ ∂ ∂txu t CtxuGtxi x s i ij s iij (35) On: i xi E : component incident del campo elèctric al llarg de l’eix x, a l’alçada del conductor i i(x,t): corrent induïda al llarg de la línia Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 35 - Zg: transformada inversa de Fourier de la resistència transitòria de terra per unitat de longitud ),( txus i: tensió induïda dispersa (scattered) al llarg de la línia; On, segons Rachidi et al. [13;14], la resistència transitòria de terra és: ⎪ ⎪ ⎪ ⎭ ⎪ ⎪ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 4 1 4 1 2 1 2 2 1 min t erfce t h zg t g g o rgo o gg ττ π τ μ εε μ π τ (36) On: εo i εrg: permitivitats del buit i del terreny respectivament. μo: permititvitat del buit. gog h σμτ 2 = De la mateixa manera que abans, la tensió total induïda està formada per la suma de la tensió induïda dispersa i la tensió induïda directa i s’expressa de la següent manera: ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −=+= ∫i h i z si i S idztzxEtxutxutxutxu 0 ),,(),(),(),(),( (37) Finalment, per una terminació de línia amb càrrega resistiva R0 a x=0 i x=L, les condicions de contorn es poden definir d’aquesta manera: ),0(),0(),0( tutiRtu i o s−−= (38) ),(),(),( tLutLiRtLu i o s−−= (39) En general la solució de les equacions d’Agrawal es realitza mitjançant el mètode de les diferències finites. Mètode de les diferències finites Hi ha dues possibles variacions del mètode de les diferències finites per solucionar les equacions de línia de transmissió. Els dos mètodes es basen en les expansions de la sèrie de Taylor on és possible substituir les equacions diferencials per equacions de diferència. Aquest mètode permet tenir en compte les pèrdues de la línia i els efectes de no linealitat en els paràmetres de la mateixa. L’estabilitat d’aquest mètode depèn principalment de que, Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 36 - independentment de com de petit sigui el Δt i el Δx, compleixin amb la condició de Courant, Δt≤Δx/v [15]. Tanmateix, d’acord amb Omick i Castillo [16], el mètode de segon ordre obté millors resultats per Δt≤2·Δx/v. Els dos mètodes són: • Mètode de punt central • Mètode de diferències finites de segon ordre. Aquest segon mètode està basat en l’algoritme de Lax-Wendroff [17] i implementat per les equacions de línia de transmissió per Paolone [18] i per Omick [16]. El seu desenvolupament es fa mitjançant un truncament a les expansions de la sèrie de Taylor en el segon odre i es menyspreen les derivades de tercer odre en endavant. Aquest mètode és numèricament més estable i més precís que el primer. A més a més, aquest mètode calcula la tensió i el corrent induït en el mateix punt, evitant haver d’extrapolar la solució al final de la línia, tal com cal realitzar en el mètode del punt central. Figura 12. Mètode de diferències finites de punt central Figura 13. Mètode de diferències finites de segon ordre Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 37 - La seva formulació és la següent: () [ ][] − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ Δ⋅ − ⋅⋅⋅ Δ + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ Δ⋅ − ⋅⋅Δ−= −+ − −+ −+ x vv CL t x ii Ctvv n k g n k g n k n k n k n k222 '11 1 2 11 11 () [] [] ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ Δ ⋅−+ − Δ⋅ − ⋅⋅ Δ −−+−+ − 2 1111 12 22 x vvv x EE CL tn k n k n k n k x n k x (40) [] [] () [] [] () −−⋅⋅ Δ − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛+− Δ⋅ − ⋅⋅Δ−= −− −+ −+ 11 11 11 ' 22 'n k g n k g n k g n k x n k n k n k n kvvL t vE x vv Ltii () () [] [] () 111 2 11 1 2' 4 2 '' 2 −+− −+ −−⋅⋅ Δ + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ Δ ⋅−+ ⋅⋅ Δ −n k x n k x n k n k n kEEL t x iii CL t (41) () [] ∫−⋅= t gg txizv 0 ,)( ττ (42) On: Δx: pas d’integració especial Δt: pas d’integració en el temps k: posició en l’espai n: posició en el temps v: tensió induïda dispersa i: corrent induït a la línia C: capacitat per unitat de longitud L: inductància per unitat de longitud 2.2.2. Influència de la tortuositat del canal de la descàrrega sobre les tensions induïdes En tots els càlculs realitzats fins ara s’ha considerat el canal de descàrrega del llamp vertical i perpendicular al terreny. El fet que el canal sigui tortuós, és a dir, no vertical ni perpendicular, complica extremadament els càlculs dels camps electromagnètics. En aquest cas cal descompondre el corrent que circula per cada tram i trobar el camp produït per cada un dels corrents, per acabar trobant el camp com el sumatori de les contribucions de cada un dels segments que formen el canal. En la tesis doctoral de J Herrera [19] es presenten per primera vegada els resultats d’un anàlisis extens del càlcul de tensions induïdes en línies de distribució sobre terreny de conductivitat finita tenint en compte la tortuositat i les ramificacions del canal de la descàrrega. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 38 - Les conclusions que s’extreuen d’aquest estudi és que la tortuositat del canal juga un paper molt important a la hora de predir els valors de les sobretensions induïdes en una línia de distribució. A partir dels resultat es pot concloure puntualment que la tortuositat del canal influencia en gran mesura la forma d’ona i la magnitud de la tensió induïda. Amb base a la variació dels paràmetres involucrats en aquest tipus de càlculs com el temps de front de corrent, la distància i la conductivitat del terreny, es conclou que: • Per un punt d’impacte d’una descàrrega elèctrica atmosfèrica, és necessari descriure la tensió induïda en termes estadístics i no a partir de valors puntuals com els que s’obtenen per canals rectes. • Existeix una alçada efectiva fins on s’ha de considerar la tortuositat del canal per simulacions de tensions induïdes. Les parts inferior del canal són responsables en gran mesura de la tensió induïda total però poden existir contribucions importants de les parts superior del canal que han de tenir-se en compte. • Per uns valors determinats de temps de front de corrent a la base del canal i de conductivitat del terreny, l’efecte de la tortuositat disminueix a mesura que el punt d’impacte de la descàrrega s’allunya de la línia • Per una conductivitat del terreny determinada, l’efecte de la tortuositat del canal s’incrementa a mesura que el temps de front i el corrent a la base i la velocitat de propagació al llarg del canal disminueixen. • L’efecte de la tortuositat segueix present sota les mateixes condicions tot i que la conductivitat del terreny varia. De tots els resultats obtinguts en aquesta tesis, es pot afirmar que els càlculs més aproximats de tensions induïdes poden arribar a sobreestimar els valors de sobretensions en una xarxa de distribució. Tot i així, aquests valors de sobretensió poden arribar a ser suficientment alts com per amenaçar la integritat dels equips connectats a ells. 2.3. Metodologies d’avaluació per impactes a una línia Amb tot el que s’ha vist fins ara, es pot calcular de manera molt precisa les sobretensions produïdes, sobretot, per impactes indirectes. Val a dir, però, que aquesta metodologia és bastant complicada. Degut a aquest fet, els llamps i les seves conseqüències sobre les línies ha estat estudiat àmpliament a través d’organismes internacionals i institucions científiques com el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) i el CIGRE (Conférence Internationale des Grands Réseaux Électriques a Haute Tension). Aquests organismes i institucions han desenvolupat mètodes per predir de forma determinística els impactes sobre les línies i han avaluat tant les taxes d’encebament invers (back flashover) com encebament per falta d’apantallament (shielding failure flashover) per Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 39 - cada 100 km-any, ja que són els dos tipus d’encebament que poden aparèixer en una línia de transport o distribució quan és impactada per un llamp. Per altre banda, cal tenir en compte que durant el disseny de les línies cal definir el número i localització dels cables de guarda, així com la quantitat i classe d’aïlladors que s’han d’usar, ambdós aspectes amb la finalitat de no superar un índex acceptable d’impactes per cada 100 km-any, mantenint aquest valor baix per assegurar la confiabilitat de la línia. L’índex acceptable és típicament entre 1 i 3 impactes per 100 km-any. Tal com s’ha dit, el disseny de la línia necessita avaluar la taxa de descàrregues per seleccionar el nivell d’aïllament. La taxa de descàrregues és la suma de la taxa de descàrregues directes, descàrregues properes i taxa d’encebament degudes a una fallada dels equips de protecció. Només es té en compte els llamps descendents negatius per tal d’avaluar aquesta taxa ja que els llamps ascendents només esdevenen quan hi ha estructures molt altes (majors de 100 m). A més, la majoria de llamps descendents són negatius. Finalment, les descàrregues subseqüents són de mitjana el 40% del valor de la primera descàrrega, per tant, no tenen tanta importància com la primera. Per predir l’acció dels llamps cal saber la densitat de llamps a terra Ng. A continuació es defineix la densitat de llamps a terra i el número de descàrregues sobre una línia de transport. 2.3.1. Densitat de llamps a terra La densitat de llamps a terra s’avalua a partir del nivell “ceráunico”. El nivell “ceráunico” és el nombre de llamps i trons observats i sentits en una regió. Actualment, es disposa de mapes permeten obtenir el nivell “ceráunico” de cada regió. A partir d’aquí es pot obtenir la densitat de llamps a terra directament de sistemes de localització de llamps o de la següent manera, segons la norma IEC62305-3: dg TN ⋅= 1.0 [llamps/km2-any] (43) 2.3.2. Número de descàrregues sobre una línia de transport o distribució Un cop s’obté la densitat de llamps a terra, cal buscar el nombre de descàrregues que poden produir-se sobre una línia aèria: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛+⋅ ⋅= 10 28 6.0 bh NN g (44) On: Ng: densitat de llamps a terra (llamps/km2-any) h: alçada de la torre o suport (m) b: amplada de l’estructura (m) N: Nombre de descàrregues sobre una línia de transport o distribució (llamps/km2-any) Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 40 - 2.3.3. Paràmetres del llamp: distribució de corrent Al llarg de tots aquests apartats s’ha anat veien la importància de conèixer el valor del corrent del llamp. De fet, s’han definit els models que permeten determinar el corrent a la base del canal del llamp, al llarg de tot el canal i finalment, els camps electromagnètics en funció d’aquest corrent i de la distància del canal al punt d’estudi. Per altre banda, és conegut que el valor de pic de corrent de cada descàrrega és diferent i varia en funció de la zona geogràfica. La norma CIGRE i la IEEE defineixen dos models de la distribució de corrent per tal de determinar la probabilitat que un llamp tingui un valor determinat de corrent de pic. En base a això i el nombre d’impactes que rep una línia per any, posteriorment es podran emprar els models electromagnètics que permetran trobar l’àrea de captació de les descàrregues atmosfèriques. A més, des del punt de vista de coordinació d’aïllament, al conèixer la probabilitat que un llamp tingui un valor determinat permet dimensionar les proteccions de la línia i la mateixa àrea de captació. 2.4. Efectes d’impactes directes i indirectes Fins aquí, s’ha trobat el nombre d’impactes sobre una línia en funció de la densitat de descàrregues de la zona i la probabilitat que el corrent del llamp prengui un valor determinat. Aquests valors són importants per temes de coordinació d’aïllament, sobretot per poder protegir la línia de la manera més adequada. I a partir, també, d’aquests valors treure un perfil de les possibles sobretensions que es poden succeir en una línia. Per altre banda, l’encebament dels aïlladors d’una línia de transport són causades per impactes de llamps a la part alta de la torre o en cables de guarda a prop de la torre. Un altre fet que desencadena un encebament són les faltes d’apantallament que esdevenen quan es produeix un impacte de llamp directament sobre un conductor actiu. En el punt d’impacte es produeixen voltatges elevats que viatgen en ambdues direccions, arribant, ocasionalment, a un o més aïlladors i provocant l’encebament d’aquests. La probabilitat que hi hagi una falta d’apantallament s’ha de calcular considerant que una proporció significativa d’aquestes origina l’obertura dels interruptors de la línia, especialment en aquelles amb un sol cable de guarda. És per això, per poder reduir aquests danys, que cal un sistema de protecció extern per les línies. Es consideren dos tipus de sistemes de protecció externa: un aïllat elèctricament de l’estructura i l’altre unit directament a ella. Ambdós sistemes estan formats per un sistema de captació, que és l’encarregat d’interceptar els llamps que vulguin impactar directament l’estructura. Per les línies de transport i algunes de distribució, el sistema de captació és un cable penjant o més anomenat cable de guarda que serveix d’apantallament dels conductors actius. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 47 - Per trobar el valor de l’àrea de risc cal integrar el producte de la probabilitat de que l’aïllament falli per la funció de sobretensions: ∫ ∞ ⋅= 0 )()( dUUfUPH T (56) D’aquesta manera s’obté el risc de fallada de la línia en estudi. A partir d’aquí es pot dimensionar l’aparamenta per una bona protecció. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 48 - CAPÍTOL III: SMART GRIDS Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 49 - CAPÍTOL III: SMART GRIDS 3. Smart Grids Si ve es poden dir moltes coses de les Smart Grids, i de fet, podrien ser objecte d’un projecte o tesis sencera, en aquest projecte, es pretén definir-ne el concepte, la seva estructura i les seves característiques principals, per tal de veure des de quin punt es poden veure influenciades per les descàrregues atmosfèriques i quines possibles soluciones es poden trobar. 3.1. Concepte En les últimes dècades, les xarxes elèctriques en general, i en concret les espanyoles, han patit canvis importants degut, entre altres factors, a la introducció de les noves tecnologies de la informació i la comunicació aplicades al sistema elèctric. D’aquesta manera, s’han anat convertint en xarxes elèctriques més complexes i intel·ligents. Aquesta evolució ha donat com a resultat les Smart Grids. Fins a finals dels anys 80, les xarxes elèctriques es caracteritzaven per ser xarxes no uniformes. La unió de les diverses xarxes elèctriques de les diverses companyies elèctriques que s’han anat format i fusionant, ha donat com a resultat una xarxa no uniforme en quan a tipologia (tipus i models) i topologia (estructura d’interconnexió) de la xarxa. A més a més, també mancava l’aplicació del criteri N-1, és a dir, que malgrat hi hagués una fallada en qualsevol dels elements de la xarxa, la resta d’elements fossin capaços de seguir garantint el subministrament elèctric dins les mateixes condicions de qualitat i sense sobrepassar els seus límits físics de disseny. Fins als anys 80, aquest criteri no existia i per dur-lo a terme calia un estudi de viabilitat tècnico-econòmic adequat en funció dels requisits de qualitat exigits a cada zona de distribució. En altres paraules, en aquell moment, hi havia diverses subestacions alimentades radialment, per tant, si una d’elles fallava, fallava també el subministrament. Avui en dia, inclús en mitja tensió, les xarxes ja són mallades i tenen integrat el criteri N-1. Un altre aspecte que caracteritzava la xarxa elèctrica fins als anys 80 era que els equips en servei tenien bastant anys. La vida estimada per aquests equips és de 40 anys, i en aquell moment, els elements ja tenien aquesta edat. Malgrat això, les inversions es van destinar al creixement de la xarxa per donar resposta a la demanda. Finalment, en aquella època, hi havia una escassa implantació del telecontrol de les xarxes de mitja tensió. Aquest fet no facilitava gens la gestió de la xarxa de manera remota amb els impediments i inconvenients que això comporta, a nivell de subministrament elèctric i de resolució de fallades al sistema i avaries. No va ser fins a l’inici dels anys 90 que es va posar telecontrol a totes les subestacions. A partir, doncs, dels anys 90, les xarxes elèctriques van evolucionar bàsicament amb 3 aspectes. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 50 - Per una banda, hi va haver una arquitectura de xarxa, és a dir, es va aconseguir una xarxa senzilla i ordenada, d’explotació àgil i fàcil. Cada una de les companyies existents, van definir els criteris interns d’arquitectura de xarxa i van fer grans esforços per reordenar la xarxa existent, de tal manera, que garantís la qualitat del subministrament. Per tant, es van establir les normes per l’ordenació de la xarxa existent i el creixement d’una nova xarxa. Per altre banda, es van normalitzar les instal·lacions, és a dir, les xarxes de distribució són disperses geogràficament i en extensió, per tant, cal realitzar-hi diverses intervencions. Per optimitzar aquests processos cal normalitzar-los en tots els àmbits (enginyeria, subministrament, muntatge, posta en servei i explotació), i això és el que es va fer. El tercer aspecte i que ja s’apuntava més amunt, és el telecontrol de la xarxa de mitja tensió. Fins aquell moment no es disposava dels mitjans tecnològics de comunicació prou fiables i econòmics per fer aquest desplegament de telecontrol. És per això, que no va ser fins els anys 90, que es va generalitzar el telecontrol per agilitzar i facilitar el comandament de la xarxa de manera remota. Però el que ha marcat l’evolució de la xarxa elèctrica dels últims 5 anys, ha estat l’entrada en vigor del protocol de Kioto a principis de l’any 2005. És en aquestes dates quan s’estableix el concepte de les xarxes intel·ligents, una de les finalitat de les quals, seria contribuir al compliment d’aquest protocol mitjançant la promoció i integració de la generació distribuïda de fonts renovables a les xarxes i els mecanismes adequats per a un consum més eficient d’energia. Per tant, doncs, en les últimes dècades, hi ha hagut un canvi important a la xarxa elèctrica: millora del subministrament, actuació, resolució de faltes, millora dels elements dels sistema, etc. Però també, hi ha hagut un augment de la càrrega energètica degut a les noves tecnologies informàtiques i la fabricació automatitzada. Aquest augment ha estat d’un 40% i es preveu que sigui de més d’un 60% al 2015 [28]. Aquest tipus de creixement ha afectat directament a les xarxes d’energia existent. Les xarxes, doncs, han passat a ser xarxes cada cop més grans, a estar interconnectades internacionalment i han passat a ser més vulnerables. Conseqüentment, s’ha vist que són necessàries noves línies de transmissió i distribució que combinin les fonts d’energia convencionals i les de procedència renovable, i a més a més, integrin nova tecnologia que permeti garantitzar l’eficàcia, la fiabilitat i la seguretat, la flexibilitat i el respecte al medi ambient del sistema. Tal com es pot deduir, no és una feina fàcil. Per tant, s’ha començat a veure el sistema elèctric com un ecosistema que integra els aspectes operatius més important. Aquest conjunt permetrà integrar dispositius distribuïts de generació, consum i emmagatzematge i implantar processos intel·ligents de mesura, control, gestió i interacció en i entre els diversos components de l’ecosistema energètic i amb altres ecosistemes energètics eficients. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 51 - Per tant, les Smart Grids es poden definir com una modernització de les xarxes de transport i distribució per mantenir una infraestructura fiable i segura que pugui absorbir el creixement de la demanda i millorar la qualitat i l’eficiència del sistema. Però la definició més acceptada és la de la Plataforma Tecnólogica Europea per a les Xarxes Intel·ligents: “electricity networks that can intelligently integrate the behaviour and actions of all users connected to it – generators, consumers and those that do both – in order to efficiently deliver sustainable, economic and secure electricity supplies”. La xarxa intel·ligent transforma la manera de produir energia, de transportar-la, d’emmagatzemar-la i d’utilitzar-la. Des del punt de vista de la generació, les xarxes intel·ligents pretenen ser les xarxes elèctriques del futur amb un control perfecte de l’energia, permetent, a la vegada, la connexió a la xarxa de més energia procedent de fonts renovables, i obtenir-ne una millor gestió gràcies a les tecnologies de la informació i la comunicació (TIC). Un aspecte molt important de les xarxes intel·ligents és la comunicació en dues direccions, és a dir, la bidireccionalitat de la informació. Aquesta capacitat permet estalviar energia, reduir costos i incrementar la fiabilitat i transparència, obtenir intercanvi d’informació en dos sentits, seguiment, control i manteniment a temps real. Amb aquestes dues direccions de comunicació es pot veure la xarxa com un entramat en forma de xarxa distribuïda en lloc d’una estructura jeràrquica. Gràcies a l’evolució de les xarxes convencionals cap al sistema intel·ligent, ha fet que molts països ja hagin decidit fer inversions importants en les xarxes elèctriques per tal de poder integrar les xarxes intel·ligents i gestionar molt millor l’energia. En l’estat espanyol, l’evolució esperada per les xarxes intel·ligents en mitja i baixa tensió en la propera dècada estarà marcada per la implantació general de la telegestió, també per una potent xarxa de comunicacions, l’autogestió de la xarxa de distribució i inclourà molt volum de generació distribuïda. Per altre banda, s’espera un desenvolupament important de l’electrònica de potència aplicada a la xarxa de distribució, gestió i resposta de la demanada dels clients, que s’incorporin equips Plug and Play i finalment, desenvolupament de les microxarxes. 3.2. Estructura de la xarxa convencional A partir de la definició de xarxa intel·ligent es pot veure clarament que les xarxes convencionals no tenen res a veure amb el concepte de xarxa intel·ligent que s’està implementant. A la figura 18 es pot observar una xarxa convencional. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 52 - Figura 18: esquema d’una xarxa elèctrica convencional Les xarxes convencionals actuals estan formades per les centrals convencionals de generació d’energia i molt pocs sistemes de generació distribuïda. Aquesta electricitat es transporta fins a la xarxa de distribució on es reparteix cap als usuaris finals. El sistema de flux d’energia unidireccional, de la generació a l’usuari final. No hi ha cabuda a l’usuari que també sigui generador a la vegada, és a dir, és un sistema centralitzat de producció, un sistema unidireccional ineficient de distribució i un sistema global que deixa en un segon pla la reducció de la demanda energètica. El punt més fort de les Smart Grids, que és la transmissió d’informació, en les xarxes convencionals està molt localitzada i és entre els operadors del sistema i del mercat per tal de gestionar l’energia i donar preu a la mateixa. El flux d’informació des de qualsevol punt de la xarxa fins al sistema de control és molt localitzat en els centres de transformació i subestacions que disposen de cabines telecomandades. Concretament a Catalunya, no es disposa del 100% de telecomandament dels centres de transformació en el sistema de distribució. Si és cert, que s’està implementant ràpidament. 3.3. Estructura de les Smart Grids Amb el concepte de xarxa intel·ligent es pretén incloure a la xarxa molts més elements de comunicació i informació per tal de tenir qualsevol components de qualsevol punt localitzat i controlat per gestionar de la millor manera possible la xarxa. A més, es pretén establir la generació distribuïda per tal de combinar-la amb la convencional i tenir, per tant, grans i petits generadors d’energia a qualsevol punt de la xarxa. A més, es pretén integrar sistemes d’emmagatzematge d’energia per tal de reduir les puntes de demanada. Finalment, es pretén potenciar el consumidor final que passi a ser part activa del sistema. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 53 - Figura 19: esquema de la xarxa intel·ligent. Sistema de comunicacions A la figura 19 es pot veure l’estructura d’una xarxa intel·ligent. En aquest cas es pot apreciar principalment el sistema de gestió de la informació. Es pot veure com cada element de la xarxa conté un processador independent que es comunica amb els altres de manera remota fins al centre de control on es gestiona tota la informació. Figura 20. Esquema de la xarxa intel·ligent. Sistema de comunicació, generació distribuïda i emmagatzematge d’energia. Photovoltaic Energy stora g eEnergy storage Energy storage Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 54 - A la figura 20 ja es pot veure més àmpliament el que conforma una xarxa intel·ligent. L’estructura bàsica és molt similar al sistema convencional. Segueixen havent-hi el sistema de generació, transport i distribució, però la seva estructura ha canviat per permetre-hi la intervenció de les TIC. A més, la informació es transmet en ambdós sentits, de l’element al sistema i del sistema a l’element. Hi ha molta més cabuda per les energies renovables tant els grans com els petits generadors com els que són generadors i consumidors a la vegada. A la figura 22 també es poden apreciar sistemes d’emmagatzematge d’energia. A continuació es vol explicar amb detall tots els elements que conformen aquestes xarxes intel·ligents, cosa que permetrà veure la complexitat del sistema. 3.3.1. Funcionament de la xarxa intel·ligent Per arribar a obtenir una xarxa intel·ligent cal realitzar inversions importants a la xarxa elèctrica per donar-li intel·ligència. Calen modificacions sobre la infraestructura de la xarxa, incloent millores en la transmissió i l’automatització de les subestacions i la distribució. Des d’un punt de vista tècnic, les xarxes intel·ligents presenten diversos reptes relacionats amb la necessària evolució de les tecnologies de la informació i la comunicació per adaptar-se a les noves necessitats, tenint en compte el gran volum d’informació que s’ha de gestionar. Sense oblidar, però, altres reptes més elèctrics com són l’emmagatzematge d’energia, el vehicle elèctric o l’electrònica de potència. Per donar intel·ligència a un sistema elèctric i automatitzar-lo (tal com s’apuntava anteriorment), cal tenir processadors independents a cada component, a cada subestació i central elèctrica i, a més, elements intel·ligents: equips de monitorització, mesura i control. Els processadors han de tenir un sistema operatiu robust i ser capaços d’actuar com a agents independents que puguin comunicar-se i operar amb d’altres, formant una gran xarxa de processament distribuïda. Cada agent ha d’estar connectat als sensors associats amb els seu propi component o a la seva pròpia subestació per a què es puguin avaluar les seves condicions de funcionament i informar d’elles als agents corresponents a través de les vies de comunicació [22]. Tenir aquests agents independents que coneixen l’estat de cada un dels seus components o subestacions permet prendre el comandament de diverses operacions que no es duen a terme ni pels sistemes de proteccions ni pels sistemes de control central ni es realitzen en temps real. Per tant, els equips i tecnologies de la comunicació moderns, permeten pensar més enllà dels equips de protecció i dels sistemes de control central, per deixar pas a un sistema completament distribuït que col·loca elements intel·ligents a cada component, subestació i central elèctrica, fet que permet construir una xarxa veritablement intel·ligent. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 55 - La idea d’un sistema d’energia equipat amb TIC és que la tecnologia estigui implementada de tal manera que tots els integrants siguin capaços de comunicar-se de manera eficient amb els seus homòlegs quan sigui necessari. A la llarga, la part principal d’aquesta comunicació s’hauria de fer automàticament, és a dir, amb la menor intervenció manual possible [23]. Una altre capacitat que permet una xarxa intel·ligent és la reducció dels pic de consum, ja que canvia el concepte actual de mantenir disponible la potència (unitats de generació) a cada usuari malgrat no la necessiti. Gràcies a la bidireccionalitat d’informació entre el consum i la xarxa, només hi haurà en funcionament les unitats generadores necessàries en temps real. L’avantatge d’això és que es passa a tenir una xarxa més eficient energèticament i minimitza la inversió en els sistemes de generació, transport i distribució. Seguint amb aquesta línia, el fet que actualment hi hagi un augment dels edificis que generen energia, les Smart Grids permeten la incorporació d’aquesta energia a la xarxa quan l’edifici no la necessita. Per tant, hi ha un augment de la generació descentralitzada que cal gestionar i incorporar el sistema. Això fa que el consumidor passi a ser part activa de tot els sistema elèctric. Anant al consumidor final, l’intercanvi d’informació en ambdues direccions i l’automatització de cada element de cada edifici, permetrà connectar o desconnectar cada petit element del sistema. Això reduirà considerablement el consum d’energia global. Aquesta filosofia, té el seu màxim rendiment en hotels, oficines i equips de climatització (fred o calor). Per tant, les Smart Grids estan comandades principalment a partir de la transmissió d’informació i l’actuació dels elements intel·ligents que integren la xarxa. Aquests dos aspectes controlen i comanden tota l’energia i el sistema en general i el gestiona de la manera més eficaç i eficient possible. Es tracta doncs, d’un sistema elèctric similar al convencional però amb elements que li permeten gestionar des de la generació fins al consumidor final. Figura 21. Elements que integren les Smart Grids Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 56 - 3.3.2. Tecnologia, sistemes i nivells de les Smart Grids S’ha vist que les tecnologies de la informació i la comunicació són molt importants per el desenvolupament i èxit de les Smart Grids però hi ha altres elements a tenir en compte. Cal crear un sistema, tal com s’apuntava en l’apartat anterior, que permeti gestionar l’energia. Les TIC són les eines principals, però la gestió automatitzada i intel·ligent de les xarxes de distribució energètica del futur representa un repte complex i per afrontar-lo cal efectuar avenços significatius en els següents camps d’investigació: - Comprensió dels requisits industrials i socials de les futures xarxes de distribució que assegurin un alineament dels objectius del projecte amb les necessitats socials i econòmiques. - Enginyeria de la xarxa: que redefineixi l’estructura i topologia de la mateixa i els seus equips i instal·lacions. Cal fer algunes modificacions a l’estructura de la xarxa per poder ubicar cada un dels elements necessaris de control i de les TIC per gestionar la xarxa. - Dispositius intel·ligents de la xarxa: que permetin transformar les xarxes actuals en xarxes intel·ligents a través de la implantació d’equips de monitorització, mesura i control a tots els nivells de la xarxa (AT, MT, BT) i dels clients (comptadors de telegestió). - Infraestructures i tecnologies de control i comunicacions: que permetin mantenir permanentment comunicats de manera bidireccional els punts de control, posant la informació a disposició dels diversos actors que la necessiten. El punt anterior, i sobretot aquest, són els més relacionats amb les TIC que s’han mencionat fins ara. - Mètodes i tècniques de gestió de xarxes energètiques: per la planificació, operació i manteniment i que suportades en tecnologies de processament i modelització permetin optimitzar l’explotació de la xarxa. Per poder dur a terme tota aquesta gestió, calen els sistemes que es descriuen a continuació [28]: - Sistemes de distribució controlats electrònicament: es tracta de substituir els controls electro-mecànics actuals per control digital amb nous dispositius electrònics que realitzaran les feines de control i probablement moltes funcions de commutació a alta velocitat. - Sistemes integrats d’electricitat i comunicació: sistemes de comunicació pel controls dels sistemes i dispositius de generació distribuïda i els sistemes d’emmagatzematge distribuït. Això millorarà l’eficiència i estabilitat del sistema i optimitzarà el valor dels recursos d’energia renovables i també la generació fotovoltaica. Aquí les TIC, tindran un paper important. - Sistemes integrats de gestió de l’energia a l’edificació: Inclou els sistemes de gestió energètica per optimitzar el valor de l’edifici com a generador i, a la vegada, facilitar els serveis i funcions intel·ligents com la desconnexió de càrrega o desplaçament i emmagatzematge d’energia per Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 63 - les TIC, capaces d’oferir tot tipus de serveis. És per això, que a continuació es vol explicar, seguint les diverses parts que conformen una xarxa elèctrica (generació, transport, distribució i consumidor final), els reptes de l’aplicació de les TIC en cada cas. • Generació Tal com se sap, l’energia elèctrica prové de les centrals elèctriques. Aquestes utilitzen una font d’energia primària per generar electricitat. Per una banda, hi ha les centrals convencionals, com poden ser les que utilitzen energia nuclear, les que utilitzen carbó o les centrals de cicle combinat, etc. I, per altre banda, hi ha les centrals que utilitzen fonts d’energia renovable, és a dir, utilitzen el sol o el vent per produir electricitat. La principal opció que donen les TIC a la generació és una millor integració de les fonts d’energia renovables com l’energia solar i la eòlica a l’energia procedent de centrals convencionals, i s’espera que aquesta integració vagi en augment en xarxes de distribució, és a dir, en baixa i mitja tensió. Un repte fonamental és fer front a les connexions intermitents d’aquestes plantes d’energia. Encara que existeixen models de pronòstic que prediuen la generació d’energia amb una precisió del 96% a quatre hores vista i del 94% a dia vista, l’augment de les centrals d’energia eòlica fa necessària la implementació de les TIC per una millor integració d’aquestes centrals a les xarxes d’energia convencional. Una opció interessant com pot ser el subministrament fiable d’energia eòlica a través de l’agrupació de parcs eòlics, pot crear una nova demanda de les TIC ja que hauran de gestionar aquesta agrupació i saber en tot moment, cada parc de quina disponibilitat disposa. A més, una comunicació fiable entre els operadors de xarxa i les centrals eòliques, pot ser un element important per crear un bon comandament de la xarxa. Com més informació reben els operadors de xarxa de les diverses unitats, més capaços són de fer front a l’increment de fonts descentralitzades amb connexió fluctuant [23]. Per tant, si hi ha la certesa que la informació arriba al seu destinatari de forma completa i segura, permet gestionar millor la informació i prendre les decisions corresponents, actualment de forma manual i que en un futur es vol que sigui de manera automàtica. En conclusió, per a la generació, les tecnologies de la informació i la comunicació (TIC) esdevenen importants, en primer terme, per assegurar una bona integració entre l’energia convencional i la procedent de fonts renovables i en segon terme, per obtenir la informació de manera més fiable i segura entre els generadors (petits i grans) i els operadors. • Transport i energia de reserva Un cop s’obté l’energia cal fer-la arribar al seu destí. La xarxa de transport és l’encarregada d’enllaçar les centrals de generació amb els punts d’ús d’electricitat. I Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 64 - l’energia de reserva, és aquella de la que es pot disposar en moments punta o en moments de fallada d’alguna de les línies. Referent al sistema de transport, és interessant que sigui mallat, és a dir, que les línies es comuniquin les unes amb les altres formant circuits tancats i, per tant, l’alimentació es pugui produir per qualsevol dels seus extrems i en qualsevol sentit. D’aquesta manera, es pot portar l’energia entre dos punts molt allunyats, a través de qualsevol punt. Pel que fa a l’energia de reserva, les companyies encarregades del transport són responsables, no només del transport en si, sinó que també ho són de gestionar l’energia de reserva per cobrir els desequilibris entre l’alta i la baixa tensió. Realment, el que cal és encaixar la generació amb la demanda. De fet, els operadors de xarxa recorren a l’energia de reserva per equilibrar les desviacions a curt termini. Hi ha tres tipus d’energia de reserva: la primària, la secundària i la terciària. Com que no és el principal interès d’aquest projecte, només es descriuran mínimament els tres tipus d’energia de reserva per poder entendre la importància de les TIC en aquest apartat. L’energia de reserva primària reacciona automàticament en qüestió de segons incrementant o disminuint la potència, segons les necessitats de la xarxa, és a dir, connectant o desconnectant determinats productors d’electricitat segons la demanda del moment. Aquests productors són aquells que el tipus de central permet una connexió i desconnexió instantània. L’energia de reserva secundària, és a dir, centrals que també reaccionen de manera quasi immediata, substitueixen a la reserva primària tant ràpid com sigui possible per deixar-la lliure per cobrir altres possibles desequilibris automàticament en qüestió de minuts. Finalment, l’energia de reserva terciària, substitueixen a la secundària. Aquesta última no és automàtica i s’ha de sol·licitar per telèfon amb un marge que oscil·la entre 7,5 i 15 minuts. Es tracta de centrals més grans que es connecten o desconnecten en funció de les necessitats però amb una duració més prolongada. Aquest sistema es va implementar molt abans de les TIC. Per això, les TIC poden jugar un paper important però no decisiu en aquest sector. És important una comunicació disponible i segura de l’energia de reserva secundària i terciària ja que els operadors de la xarxa de transport necessiten estar segurs que els senyals han arribat a la persona encarregada de l’energia de reserva de cada central. Això genera informació redundant ja que les comunicacions s’estableixen per telèfon i a més per escrit, via fax o via correu electrònic. Per tant, hi ha un cert marge per millorar la comunicació cap a les tecnologies de banda ampla a les àrees de reserva secundària i terciària per automatitzar aquests processos. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 65 - Per tant, sobretot, les TIC esdevenen imprescindibles per poder incorporar proveïdors d’energia de reserva més petits ja que podrien substituir les trucades telefòniques i, per tant, establir una comunicació més ràpida i eficaç en l’energia de reserva terciària [23]. Les TIC, pretenen doncs, millorar les comunicacions entre els proveïdors d’energia i els operadors de xarxa per tal de gestionar-la de la forma més eficaç possible. • Xarxa de distribució Es pot dir que la xarxa de distribució és aquella que uneix la xarxa de transport amb el consumidor final. Per tal de poder fer arribar l’energia des de la xarxa de transport a la de distribució, i per tant, al client final, calen les subestacions, és a dir, centrals de transformació on es redueix la tensió de transport per adequar-la a la de distribució. Les línies de la xarxa de distribució treballen a diversos nivells de tensió, per tant, cal reduir-la. Això es pot fer mitjançant centres de transformació o subestacions intermèdies. Tot el sistema format per les línies elèctriques de distribució i pels centres de transformació és el que constitueix la xarxa de distribució. En aquest apartat les TIC esdevenen molt importants. Per una banda, és de vital interès pels operadors de les xarxes de distribució, saber la càrrega de la xarxa en cada moment i distribuir l’energia segons convingui. És per això, que algunes institucions han desenvolupat xips informàtics que es poden implementar als aparells dels petits consumidors i, aquests, es poden desconnectar de la xarxa quan l’estabilitat del sistema està en perill. A la vegada, els operadors de xarxa veuen quan i on s’ha produït la desconnexió [23]. Aquest fet, permet gestionar millor l’energia que arriba al consumidor final i a través de quina línia. Per altre banda, la xarxa de distribució interessa que sigui mallada i intel·ligent. Tal com s’ha vist en l’apartat de transport, la xarxa mallada permet la connexió de les línies entre si, de tal manera, que l’energia elèctrica pot anar en qualsevol sentit en el cas que sigui necessari. Per tant, la xarxa queda dividia en sectors a través de seccionadors, fusibles o caixes de distribució urbana, que permeten aïllar qualsevol sector i mantenir el subministrament en d’altres, que de no estar en una xarxa mallada es quedarien sense subministrament. Per a què sigui intel·ligent, cal incorporar els processadors independents a cada component, tal com es comentava a l’inici d’aquest apartat. En el sistema de distribució, és on s’aplica amb més força els interruptors i la protecció intel·ligent o automàtica, és a dir, amb aquests processadors a cada element. Aquests aparells poden interrompre el corrent, controlar el corrent i el voltatge i configurar automàticament el sistema per restablir-se en funció de les necessitats de cada moment i de la informació que reben de cada punt de la xarxa. La capacitat de reconfigurar amb rapidesa i flexibilitat una xarxa interconnectada amb la generació, és un punt clau de la xarxa intel·ligent Cal doncs, una modernització de la xarxa des de les subestacions fins als consumidors amb un sistema que permeti que l’energia i la informació viatgin en els Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 66 - dos sentits i que, a la vegada, utilitzi les tecnologies més innovadores de la manera més útil possible. A nivell de disseny de sistema, aquesta capacitat requereix que els components que intervenen en la distribució (des de les subestacions al consumidor final) tinguin suficient capacitat per acceptar la transferència d’informació i, que el sistema de protecció sigui capaç d’aïllar adequadament una falta [24]. És per això, que cal automatitzar, controlar i obtenir la informació en temps real de tots i cada un dels elements que intervenen en aquest tipus de xarxa per poder-ho processar i tractar de la manera més convenient possible. En resum, en els sistemes de distribució són molt importants les noves tecnologies en tots els aspectes. Per una banda, permeten assegurar l’intercanvi d’informació per tal de saber a cada moment la càrrega connectada a la xarxa i la situació de cada element, així com també les possibles faltes que hi ha i, en funció d’això, gestionar l’energia de la millor manera possible. Per altre banda, la xarxa, al ser mallada i el fet que sigui intel·ligent, és a dir, que tots els components estiguin automatitzats i controlats i donin la informació en temps real, permet un control real del flux energètic. Això dóna la capacitat d’aïllar possibles defectes amb el mínim d’afectació i la reconfirguració de la xarxa en qualsevol moment de manera ràpida i flexible. • El consumidor final Al final de tota la xarxa és on es troba el consumidor final, és a dir, aquell que consumeix tota l’energia que es subministra. En aquest punt, les noves tecnologies esdevenen importants amb la integració dels comptadors intel·ligents i l’accés a les dades de consum d’energia. Aquest tipus d’aparells permeten una millor gestió de l’energia. Concretament són capaços d’oferir el següent: - Comunicació bidireccional i remota - Facilitar eines al consumidor per gestionar la seva energia - Velocitat de detecció de talls i resolució del conflicte - Lectura automàtica de comptadors. Tot això permet a l’usuari final, veure en tot moment el seu consum, ja sigui a nivell mensual, diari i, fins i tot horari, i gestionar molt millor l’energia consumida i estalviar diners. I inclús, permet accedir a les dades de retroalimentació d’energia produïda en els propis sistemes, edificis, barris, ciutats, regions o països, de la xarxa. Per altre banda, tal com s’ha vist en aquest mateix punt, també existeixen els xips informàtics que permeten la desconnexió dels elements dins l’entorn de l’usuari final i, a l’hora, la comunicació amb els operadors de xarxa per equilibrar el consum i la generació d’energia en cada moment. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 67 - Per tant, la integració dels comptadors intel·ligents i els xips informàtics, com s’ha dit anteriorment, facilitaran una millor gestió i estalvi de l’energia elèctrica. 3.3.5. Beneficis associats a la xarxa intel·ligent Els beneficis de la construcció d’una xarxa intel·ligent de serveis depèn de molts factors. Per una banda hi ha la infraestructura elèctrica existent, la dinàmica de la càrrega, les necessitats del client i l’entorn reglamentari. Independentment d’això, els beneficis en la qualitat del servei, la millora de l’eficiència energètica, la millora de l’eficiència operativa i la reducció de l’impacte al medi abient, són molt importants. Per tant, els beneficis que es poden destacar pel fet de disposar d’una xarxa intel·ligent són: - No és necessària la presència física en els punts de generació, consum, emmagatzematge o distribució. Per tant, hi ha una reducció important de feina i d’accions d’operació i manteniment in situ. - Els usuaris tenen autonomia operativa i es redueix el recurs a serveis externs. - Es simplifiquen i milloren les transaccions i el retorn econòmic bidireccional. - Reducció de talls de subministrament - Reducció de pèrdues d’energia - Reducció de les emissions de gasos d’efecte hivernacle - Optimització del funcionament dels transformadors - Millora de les operacions a la xarxa - Reducció dels costos d’integració i de manteniment - Reducció de la demanda pic directament, al permetre que certes càrregues es desactivin automàticament - Racionalitzar la utilització de la infraestructura d’acord amb les condicions del sistema. - Possibilitat d’esglaonar la inversió de capital mitjançant la optimització de la infraestructura existent. A més a més, la millora substancial en les capacitats de vigilància i control dels operadors de xarxa, els permetrà millorar el nivell de fiabilitat del sistema, encara que la demanda vagi creixent. Amb això, les instal·lacions podran tenir menors pèrdues de distribució i s’aconseguiran costos de manteniment reduïts, els consumidors tindran més control sobre els costos de l’energia i el medi ambient es beneficiarà de la reducció de la demanda màxima, la proliferació de fons d’energia renovables, és a dir, d’una reducció de les emissions de CO2 i d’altres contaminants. 3.4. En resum Per concloure o resumir, les Smart Grids, marquen la seva intel·ligència a través de tots els elements que la integren i que permeten que l’energia i la informació necessària vagi en cada moment al seu punt de destí en temps real per tal de gestionar de manera fiable i segura la xarxa i el flux energètic des de la generació fins al consumidor final. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 68 - Cal que tant els components de les línies (interruptors, proteccions, etc), com les subestacions, centres de transformació i centrals elèctriques, fins al consumidor final, estiguin controlats i automatitzats mitjançant una sèrie de components que es comuniquin entre si de manera eficaç, fiable i segura. Tots els dispositius, gràcies a les tecnologies de la informació i la comunicació, conformen la xarxa intel·ligent que pot substituir als sistemes actuals de gestió de xarxa, ja que permeten una millor gestió, control, fiabilitat i capacitat de reacció, així com de coneixement en temps real i facilitat de restabliment dels sistemes que presentin algun defecte. Per tant, es tracta d’un sistema robust i complex que integra gran quantitat d’elements i informació que cal ser gestionada amb la màxima precisió, eficàcia i fiabilitat possible. Les Smart Grids, poden configurar una xarxa realment intel·ligent amb gran capacitat de reacció i gestió pròpia amb la mínima intervenció humana. A continuació, i a manera de resum, es mostra un quadre comparatiu amb les característiques de la xarxa actual i la xarxa moderna o Smart Grids [28]. Xarxa actual Xarxa moderna Respon per prevenir danys addicionals. S’enfoca a la protecció dels bens després de la falta del sistema Automàticament es detecta i respon a la transmissió actual i emergent i als problemes de distribució. Enfocat a la prevenció, minimitza l’impacte al consumidor Els consumidors no estan informats i no formen part del sistema energètic Consumidors actius, informats i involucrats. Àmplia penetració de les respostes a la demanda És vulnerable a actes terroristes i a desastres naturals Resistent als atacs físics. Menys vulnerables als desastres naturals i ràpida recuperació de les capacitats Enfocat a les apagades en lloc dels problemes de qualitat d’energia. Resposta lenta per resoldre la incidència de qualitat de subministrament energètic Gran varietat de generació ben distribuïda i de dispositius d’emmagatzematge desplegats per complementar els serveis de grans plantes generadores. Major enfocament i accés a les renovables i residuals. Un nombre limitat de mercat majorista, encara es treballa per torbar millores dels models d’operació sense estar ben integrats entre ells. La congestió en la transmissió separa als compradors dels venedors Es realitzen operacions en un mercat majorista madur. Bona integració amb coordinadors de confiança Una integració mínima de la informació funcional limitada amb la gestió d’actius en processos i en tecnologia. Processos en “silos” corporatius. Temps basat en manteniment Gran expansió de la detecció del dimensionament de les condicions de la xarxa. Les tecnologies de la xarxa estan profundament integrades amb els processos de gestió dels actius per una gestió eficaç dels actius i els costos. Manteniment orientat a la eficiència. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 69 - Tots aquests aspectes fan referència a la totalitat del sistema elèctric, és a dir, tot el que és capaç de fer un sistema elèctric intel·ligent des de que es genera l’electricitat fins que arriba al consumidor final. En aquest projecte, però, es vol analitzar amb més deteniment la part de la xarxa de distribució, per ser aquesta, la més vulnerable en front de les descàrregues atmosfèriques. Així doncs, referent a la xarxa de distribució, els punts més importants a destacar són la incorporació a cada element de processadors independents connectats entre ells, amb les subestacions i centrals elèctriques de manera remota, que permeten detectar qualsevol anomalia a la xarxa i reorganitzar i gestionar el flux energètic en funció de la falta i les necessitats de cada moment. També, la necessitat de la comunicació entre els operadors de xarxa i la xarxa per conèixer l’estat de la càrrega del sistema. En el següent capítol, s’analitzaran les solucions que presenten les Smart Grids en front d’aquestes possibles anomalies, així com l’efecte de les descàrregues atmosfèriques sobre les xarxes intel·ligents de distribució. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 70 - CAPÍTOL IV: POSSIBLES CONFLICTES I SOLUCIONS DE LES DESCÀRREGUES ATMOSFÈRIQUES SOBRE LES SMART GRIDS Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 71 - CAPÍTOL IV: POSSIBLES CONFLICTES I SOLUCIONS DE LES DESCÀRREGUES ATOMSFÈRIQUES SOBRES LES SMART GRIDS 4. Possibles conflictes i solucions de les descàrregues atmosfèriques sobre les Smart Grids L’objectiu d’aquest capítol és posar de relleu els possibles conflictes que poden aparèixer a les xarxes intel·ligents degut als llamps. Per una banda, s’ha vist la complexitat de les descàrregues atmosfèriques i les possibles afectacions que tenen sobre una línia elèctrica convencional. Per altre banda, s’ha vist el que conformen les Smart Grids. Es tracta, doncs, d’unir aquests dos punt per analitzar l’efecte dels llamps, no sobre la xarxa convencional, sinó sobre la xarxa intel·ligent i veure les possibles solucions que ofereixen les Smart Grids. Per veure els punts d’influència entre les descàrregues atmosfèriques i les xarxes intel·ligents cal destacar els següents punts: • La presència de l’electrònica a les xarxes intel·ligents • Detecció i localització de falles o La tecnologia “Self-healing” • Els efectes dels llamps sobre les línies intel·ligents 4.1. L’electrònica Tal com s’ha mencionat, les xarxes intel·ligents donen l’oportunitat de tenir un sistema elèctric més sofisticat i robust, però aquest tipus de sistema conté gran quantitat d’aparells electrònics per tal de controlar tot el sistema. Les característiques físiques de la tecnologia de les Smart Grids juntament amb un increment de l’electrònica d’alta sensibilitat té una implicació important amb la compatibilitat electromagnètica (EMC). L’objectiu principal de la EMC és el correcte funcionament dels equips elèctrics i electrònics en front de possibles pertorbacions electromagnètiques. Segons la IEC (International Electrotechnical Comission), la compatibilitat electromagnètica es pot definir com l’habilitat d’un equip o sistema per funcionar correctament dins l’entorn electromagnètic sense introduir pertorbacions electromagnètiques intolerables a cap element del seu voltant. Les pertorbacions electromagnètiques poden ser radiades o conduïdes i un equip elèctric o una electrònica molt sensible a aquest tipus de pertorbació es pot veure afectat [21]. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 72 - Els llamps, en el moment de produir-se la descàrrega, generen camps elèctrics i magnètics importants al llarg de tot el seu canal. Si aquest camp arriba a afectar algun equip electrònic de la xarxa intel·ligent, pot produir-se algun tipus de falta del sistema, ja sigui de molt curta, curta o llarga durada. Per tant, des del punt de vista de la qualitat de subministrament no és acceptable. La qualitat de subministrament es defineix com l’energia elèctrica subministrada amb les característiques i condicions adequades que permeten mantenir una continuïtat de subministrament sense que afecti a cap dispositiu ni equip connectat, ni provoqui fallades als components, és a dir, que ni el voltatge, ni el corrent, ni, per tant, la potència, es vegin desviats respecte el valor nominal de la xarxa. Relacionat amb la qualitat de subministrament hi ha la qualitat de voltatge. Per qualitat de voltatge s’entén qualsevol desviació del voltatge respecte l’inicial. A menors desviacions, més qualitat de voltatge. La bona qualitat de voltatge contribueix a un bon funcionament dels equips elèctrics i electrònics des del punt de vista de la compatibilitat electromagnètica, i si els equips no estan degudament immunitzats, també es pot produir una interrupció d’energia. Per tant, sabent que actualment, en general, tots els equips electrònics estan protegits contra pertorbacions electromagnètiques, és a dir, són compatibles electromagnèticament amb el seu entorn, les pertorbacions degudes a llamps o altres fonts, no esdevenen un problema important per aquest tipus de xarxes. A més, els camps electromagnètics generats pels llamps només tenen afecte a una determinada distància, i, per tant, només hi ha afectació als elements que es troben dins aquest radi d’acció. Per tant, tal com s’ha dit anteriorment, el fet que els equips electrònics siguin compatibles electromagnèticament amb el seu entorn, fa preveure que no es veuen afectats d’una manera acusada amb les pertorbacions produïdes per llamps. 4.2. Detecció i localització de falles Una xarxa intel·ligent hauria de tenir les següents característiques: auto recuperació, fiabilitat i seguretat per garantir una determinada qualitat en el servei. Per aconseguir-ho cal una bona detecció i localització de falles del sistema de distribució. És per això, que les Smart Grids estan dotades d’aquest sistema en temps real. L’anàlisi en temps real és necessari per aconseguir eficiència operativa i qualitat de servei. Per aconseguir-ho es fan servir una combinació de circuits on es mesuren en temps real els paràmetres de la línia (tensió i corrent) i les sortides (consum dels clients). Amb aquests paràmetres, els operadors de xarxa aconsegueixen evitar interrupcions del servei i altres problemes de funcionament. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 79 -  Ruptura interna del dielèctric dels aïlladors de la línia propers al punt d’impacte (al voltant de 50 m aproximadament): Aquest fet es produeix si la quan la taxa de creixement del corrent del llamp és superior a 10 kA /μs, cosa que passa en el 70% dels casos [26]. Només s’evita la ruptura interna en el cas que primer hi hagi una ruptura dielèctrica de l’aire. De totes maneres, a mesura que la taxa de creixement de la tensió és major, la rigidesa dielèctrica de l’aire millora i si arriba a ser superior a la interna de l’aïllador, s’acabarà produint una ruptura interna de l’aïllador. En els suports finals de línia la taxa de creixement de la tensió es duplica, per tant, els aïlladors tenen més probabilitat de patir danys.  Fallada monofàsica: en el cas que la magnitud del corrent de retorn de la descàrrega sigui prou elevat, es produirà un back flashover o encebament invers de l’aïllador. Això genera un deteriorament de la qualitat del servei. Degut al baix nivell d’aïllament de les línies de distribució, la magnitud del corrent necessari per produir el back flashover és de només 1 kA, és a dir, en el 99.9% dels casos d’impactes directes[26].  Ruptura interna de l’aïllament en borns del transformador: En el cas que la distància entre parallamps i transformadors sigui excessiva, la reflexió d’ones en borns dels transformadors incrementa la tensió excessivament en aquests punts, trencant l’aïllament intern. Malgrat que aquest efecte es veu esmorteït amb la distància degut a l’efecte resistiu i inductiu de la línia, s’ha establert que la distància entre parallamps i equips ha de ser tant curta com sigui possible i que si és major de 40 m, la protecció del parallamps a l’equip és deficient. Els danys causats per aquest efecte en línies de distribució, arriben a un radi aproximat de 500 m des del punt d’impacte, és per això que es poden trobar fàcilment diversos transformadors danyats per una mateixa descàrrega. Si en lloc de produir-se la descàrrega directe sobre un conductor de fase, es produeix sobre els cables de guarda o sobre les torres, pot passar el següent:  Encebament directe per inducció o falta fase-terra: L’ona electromagnètica de la descàrrega viatge pel conductor de guarda, i indueix, degut a l’acoblament inductiu i capacitiu amb els conductors de fase, una sobretensió que pot causar un encebament fase-terra tal com mostra la figura 25. Figura 25: Il·lustració del concepte d’inducció de tensió per acoblament Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 80 - El factor d’acoblament entre els cables de guarda i els conductors de fase és el percentatge de tensió induïda a la fase per una sobretensió donada en el cable de guarda. En les línies de distribució varia entre 0,1 i 0,5 en funció de l’altura del cable de guarda sobre els conductors de fase. En el millor dels casos, amb angles d’apantallament menors de 30º, el factor d’acoblament és suficient per a què una descàrrega promig produeixi un encebament. Per entendre-ho millor, es pot explicar amb un exemple: La tensió induïda en un cable de guarda amb una impedància característica aproximada de 500 Ω i per una descàrrega promig, és d’uns 7500 kV (Ω⋅ 2 500 30kA ), amb la qual cosa, la inducció en el conductor de fase serà de l’ordre de 750 kV si es considera un factor d’acoblament de 0,1. Aquest valor, al superar el valor d’aïllament dels aïlladors de les línies de distribució, provocarà un encebament a terra del conductor de fase. Val a dir, però, que si es té en compte la reflexió negativa de l’ona que es produeixen en els punts on els cables de guarda estan connectats a terra i l’efecte corona, la tensió de pic que realment hi ha al cable de guarda es veu molt reduïda, i per tant, també la inducció. Això podria evitar l’encebament. És per aquest motiu que és molt important connectar a terra els cables de guarda en el màxim número de punts possible, és a dir, a cada estructura o suport si és possible. Malgrat és molt difícil estimar un percentatge de fallades, en general es pot estimar al voltant del 70%, que correspon a la suposició que les reflexions esmorteeixen el 50% de l’ona incident, que el factor d’acoblament és del 10% i que la tensió d’encebament directe de l’aïllament sigui de 200kV, i considerant a més l’augment de la tensió de terra corresponent. Per tant, el cable de guarda només pot protegir contra el 30% de les descàrregues directes sobre aquest [26].  Encebament invers o back flashover de l’aïllador: quan la descàrrega atmosfèrica impacte sobre el conductor de guarda o a la torre, i el corrent i la conseqüent ona de tensió es reparteixen entre els cables de guarda i la posta a terra del suport, això provoca que la torre quedi a un determinat potencial Vo degut a la resistència de la posta a terra. A més, el cable continua al potencial de fase Vf. En el cas que la diferència de tensió entre Vo i Vf sigui més gran que el BIL, es produirà un back flashover o encebament invers de l’aïllador. Per aquest motiu també és important la posta a terra, com més bona sigui, menor serà el valor de Vo, i per tant, menor la probabilitat que l’aïllador encebi. Aproximadament el 50% de les descàrregues directe a les línies provoquen encebament invers. Es pot concloure, doncs, que per a protegir mínimament i de forma, es podria dir, natural, la línia, cal que la resistència de posta a terra sigui baixa, ja que en cas contrari es produirà un encebament directe per inducció o invers per sobretensió en el cable de guarda. En el cas de descàrregues indirecte, és a dir, en les proximitats de la línia, el camp electromagnètic generat s’acobla amb els conductors de la xarxa i genera les tensions induïdes, o dit d’una altre manera, el canvi brusc del camp electromagnètic produït per la circulació del corrent de retorn, indueix a la línia Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 81 - una sobretensió. Tal com es notava en l’apartat 2.2. el valor d’aquesta sobretensió no acostuma a superar els 200 kV, però és suficient per arribar a malmetre, sobretot, els aïlladors. Cal remarcar també, que aproximadament el 80% dels danys produïts a les línies de distribució són deguts a sobretensions per descàrregues indirectes [26]. El principal dany que es genera per impacte indirecte d’un llamp és un encebament invers dels aïlladors. Aquest fet es pot protegir col·locant un parallamps al costat de l’aïllador, el qual absorbirà suficient energia com per evitar el dany a la línia. És evident, però, que no es poden col·locar parallamps a tots els suports de totes les línies de distribució existent degut a l’elevada inversió econòmica que suposaria. També es pot protegir la línia amb el cable de guarda, cosa que permet protegir en la majoria dels casos, principalment, els conductors de fase contra impactes directes, i a més, s’ha demostrat que exerceix un efecte de gàbia de Faraday contra descàrregues indirectes [26]. Tal com s’ha vist, qualsevol encebament en els aïlladors produeix interrupcions i buits de tensió en el subministrament. Aquest fet, des del punt de vista de qualitat d’energia es vol evitar i reduir al màxim, i si es pot, anul·lar. Fins ara, s’han descrit els efectes dels llamps sobre qualsevol tipus de línia, convencional i intel·ligent, ja que els aïlladors, que són els elements més danyats per les tempestes elèctriques, es troben a qualsevol d’aquests dos tipus de xarxa. A continuació, i per acabar aquest apartat, es vol descriure un altre efecte dels llamps sobre les línies, concretament, sobre les xarxes intel·ligents i les connexions als usuaris finals. Es tracta del que s’anomena Ground Potential Rise (GPR) o augment del potencial de terra en els llocs on hi ha dues o més connexions a terra de referència. El GPR té lloc quan un corrent elevat circula per terra cap a una posta a terra amb un determinada impedància, normalment a conseqüència d’un impacte de llamp. Un exemple, tal com dóna Albert R. Martin [27], seria quan la posta a terra del sistema elèctric està connectada a un extrem de l’edifici i a l’altre hi ha la posta a terra de la línia telefònica o servei de comunicacions a través d’una protecció contra sobretensions. El GPR produeix un gradient de tensió entre les dues referències a terra i aquest elevat voltatge és risc de descàrrega elèctrica. També pot produir una ruptura de l’aïllament, provocant, d’aquesta manera, un dany important i una exposició a la tensió. Les Smart Grids, estan connectades, a la vegada, amb l’usuari final i altres sistemes de comunicació. En el moment que hi ha diverses postes a terra, la impedància entre elles passa a ser important, i pot arribar a valors de 100 ohms o més [27]. Inclús en el cas que les piques de posta a terra estiguin connectades entre elles mitjançant un conductor de terra, la inductància del conductor pot arribar a tenir valors considerables. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 82 - Quan un llamp impacte sobre algun sistema, si aquest té protecció, aquesta actuarà i desviarà el corrent del llamps a terra. Però si el llamp impacte a la vora d’algun d’aquests sistemes, el llamp injectarà corrent a terra amb un valor de milers d’amperes que circularan per la impedància de terra o pel conductor de terra si n’hi ha, o per ambdós. En un sistema amb més d’una posta a terra, la corrent del llamp circulant per la impedància de terra entre els punts de terra pot generar diferències de potencial de milers de volts. Si les postes a terra estan connectades per un conductor, el corrent que circula pel conductor pot generar també, milers de volts, degut a la inductància del conductor i a l’elevat diferencial de corrent respecte el temps del corrent del llamp. Com es pot suposar, aquestes tensions tant elevades poden malmetre amb facilitat el elements que estiguin connectats a la xarxa elèctrica. El que és important a destacar és que el potencial de terra és inversament proporcional a la distància a la qual ha impactat el llamp. És a dir, a més distància d’impacte, menor potencial de terra i per tant, menor probabilitat de danys a la instal·lació. Per acabar, si no hi ha una posta a terra comuna en el sistema de baixa impedància, en cas de tempesta elèctrica, pot aparèixer un potencial degut al GPR que pot provocar descàrregues i ruptura de l’aïllament, i per tant, més risc de descàrregues. En canvi, si hi ha baixa impedància, no hi haurà potencial de terra, malgrat que els aparells poden quedar a una determinada tensió, i això pot provocar descàrregues elèctriques. En el cas que no hi hagi una posta a terra comuna amb baixa impedància, les solucions que es presenten són: - Hi ha terra separat entre les comunicacions i l’entrada elèctrica: en aquest cas cal una connexió entre ambdós terres. Si aquesta connexió es fa en un quadre elèctric, aquest ha de poder suportar la descàrrega atmosfèrica que pot arribar als 1000A o més. - Si només l’entrada elèctrica té terra: En aquest cas cal instal·lar proteccions al sistema, ja que, en el moment de la descàrrega atmosfèrica, qualsevol element de les comunicacions estarà a un potencial determinat, cosa que pot provocar pèrdua d’aïllament i descàrregues elèctriques si no hi ha protecció. En conclusió, qualsevol element que rebi alimentació de les Smart Grids ha d’estar connectat a terra, tan la xarxa convencional elèctrica com els sistemes de comunicació, i a més, col·locar les proteccions corresponents en els casos que sigui necessari. D’aquesta manera s’evitaran els danys comentats anteriorment. Tal com s’ha vist en aquest punt, els llamps poden malmetre amb certa facilitat gairebé qualsevol element que intervé en un sistema elèctric ja sigui intel·ligent o convencional. Però aquests danys només es produeixen en uns determinats casos i condicions. És per això que cal tenir en compte la probabilitat Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 83 - que un llamps malmeti els elements del sistema tal com s’ha descrit en el capítol II. Entre altres coses, cal tenir en compte, sobretot, els valors variables que pot prendre el llamp en funció dels valors de sobretensió i combinar-ho amb la probabilitat de fallada dels aïlladors. També cal calcular el nombre de llamps que poden caure sobre una línia cada 100 km i cada any, si hi ha cable de guarda o no. Cal determinar la taxa d’encebament invers i la de fallada de l’apantallament, etc. El que es vol remarcar en aquest apartat, és que totes les magnituds són molt variables i que cal doncs, avaluar cada cas en el lloc i moment concret que es requereix per poder predir de forma correcta quins són els elements que poden protegir de millor manera la línia, i evitar costos econòmics innecessaris i males proteccions. Cal doncs, preveure el que pot succeir i protegir en conseqüència. 4.3.2. Efecte sobre les Smart Grids Després d’haver vist els efectes més perjudicials dels llamps sobre les línies, en aquest punt es vol concretar l’efecte que poden tenir aquests danys a les Smart Grids. Realment, es pot apreciar que la única manera de protegir contra les sobretensions per impacte directe i per impacte indirecte és: - Impacte directe i indirecte: • Cable de guarda (deriva l’impacte directe a terra i efecte gàbia de Faraday) • Bona posta a terra (per reduir la probabilitat d’encebament invers i/o directe) • Parallamps al costat dels aïlladors (absorbeix tota o part de l’energia del llamp) - També en ambdós casos i en proximitats d’instal·lacions domèstiques: • Proteccions (per evitar el GPR), per exemple contra sobretensions transitòries tal com indica el REBT • Reducció de la impedància de la posta a terra A més a més, tal com es pot apreciar, si la línia està fora de servei, és a dir, que els conductors de fase no tenen un determinat potencial, no es pot produir l’encebament invers, cosa que evitaria que es malmetessin els aïlladors. Es per això que es pot plantejar la idea de si en les proximitats d’una tempesta, és convenient deixar sense servei una línia determinada desviant el flux energètic a través d’altres línies (si això és possible) o deixant sense subministrament als usuaris de forma temporal (en segona opció i si les càrregues no són crítiques). Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 84 - Respecte les Smart Grids, el que s’ha trobat i vist és que els llamps no hi tenen una influència més forta a nivell de xarxa elèctrica que respecte a una xarxa convencional. L’avantatge que si que presenten és principalment la possibilitat de Self-healing que s’ha vist en l’apartat 4.2. Aquest fet permet redireccionar el flux en cas de dany permanent al sistema, però no evitarà un sot de tensió o interrupció de curta durada que si que afecta a la qualitat de subministrament energètic. També presenten l’avantatge que la comunicació es mou a part de la línia, per tant, continua havent-hi comunicació en cas de fallada. En el següent capítol, es descriuen les conclusions finals de l’efecte de les descàrregues atmosfèriques sobre les Smart Grids. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 85 - CAPÍTOL V: CONCLUSIONS Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 86 - CAPÍTOL V: CONCLUSIONS 5. Conclusions Al llarg d’aquest projecte s’han vist dos temes bastant diferents per trobar el punt d’unió entre ambdós. Per una banda, s’ha explicat el fenomen de les descàrregues atmosfèriques. I per altre banda, el què són les xarxes intel·ligents. Començant pel primer tema, el llamp és un fenomen atmosfèric amb unes característiques molt variables, i que, malgrat aquest fet, s’ha arribat a modelitzar al llarg de molts anys i molts estudis realitzats. Tal com s’ha vist, per la seva naturalesa i característiques, provoquen danys a les línies, ja siguin per impacte directe o per impacte indirecte. I, per tant, per arribar a quantificar aquests danys i determinar quines línies es poden veure més afectades, cal utilitzar aquestes fórmules matemàtiques i models d’acoblament de les característiques dels llamps, de les línies i la unió d’ambdues. Per concretar més, un llamp pot prendre valors de corrent diferents i es podria dir, que gairebé mai impactarà en un mateix punt. Per tant, és un fenomen imprevisible i variable i que es basa en probabilitats estadístiques. El que sí se sap és els tipus de dany que pot ocasionar, però no si ho farà o no, ni quan ni a on. Com es deia, és purament estadístic. És per això que només es poden posar elements que intentin evitar al màxim aquesta repercussió, és a dir, dimensionar l’aïllament de les línies per protegir-les al màxim, determinar el tipus de parallamps que hi ha d’anar, determinar si és necessari un cable de guarda o no, etc. Però això només assegurarà un cert nivell de risc, hi ha cert valor de probabilitat de que els elements que integren una xarxa elèctrica no estiguin protegits. No es pot mai protegir del tot. En aquest context, i entrant en la tendència actual a modificar la xarxa existent per fer-la més robusta, sostenible, fiable i amb una qualitat de subministrament molt alta, apareix el concepte de xarxes intel·ligents que gestionin l’energia, els defectes i avaries amb la màxima eficiència i eficàcia possible. Una xarxa intel·ligent és aquella que és capaç de gestionar tot el sistema elèctric des de la generació fins a l’usuari final. Ha de ser capaç d’integrar la generació convencional i renovable d’energia, els petits generadors, el transport de l’energia, la distribució d’aquesta en funció de la demanda i els usuaris finals. Tot això, combinat amb la resolució de defectes, els operadors de mercat i l’intercanvi d’informació que cal per poder gestionar tots aquests aspectes, assegurant en tot moment, una qualitat d’energia i subministrament gairebé perfectes. Aquesta complexitat, es pot dur a terme gràcies a tots els sistemes de comunicació i informació que integra la xarxa i funcionen de manera remota, tots els sistemes electrònics de control, l’automatització de subestacions i diversos elements del sistema, etc. No cal dir, doncs, que es tracta d’un sistema realment complex amb molts factors que hi intervenen, i per tant, cal que sigui un sistema robust i molt eficient. Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 87 - En el cas d’aquest projecte, el més destacable de les Smart Grids és que disposen del que s’anomena tecnologia self-healing, és a dir, que tenen capacitat d’auto sanament davant de defectes que apareguin. Són capaces de resoldre, aïllar i gestionar qualsevol defecte que aparegui a la xarxa, evitant l’afectació d’un elevat nombre d’usuaris. La pregunta que sorgeix és la següent: les Smart Grids poden solucionar tots els tipus de defectes, sobretot els més comuns, però també poden fer-ho amb els dels llamps? A mesura que s’anava avançant amb el tema de les Smart Grids, s’ha percebut que, malgrat disposar d’un sistema d’auto sanament de la línia, aquest actua un cop s’ha produït el defecte, per tant, en el cas dels llamps, no permet una gestió anticipada del problema, que segurament, és el que caldria davant d’un fenomen tan imprevisible i que pot causar tants desperfectes. En conclusió, després d’haver vist la complexitat del fenomen de les descàrregues atmosfèriques i també la complexitat de les Smart Grids, es pot determinar que són dos temes que els falta un element d’unió per poder-se combinar i, potser així, aconseguir evitar gairebé tots els danys ocasionats pels llamps. La situació actual és la següent, per una banda existeixen sistemes de detecció de llamps a temps real. Per altre banda, hi ha la tecnologia self-healing de les xarxes intel·ligents. El problema, tal com s’ha dit, és que entre ambdues no hi ha nexe d’unió. És per això, que com a conclusions d’aquest projecte, es volen aportar una sèrie d’idees que podrien ajudar a desenvolupar futurs projectes per tal d’unir les xarxes intel·ligents amb els llamps amb la finalitat d’evitar els danys ocasionats per les descàrregues atmosfèriques a les xarxes elèctriques. Una primera proposta és la següent: s’ha detectat una manca de dades reals de danys ocasionats pels llamps, és a dir, dades que corresponguin a línies o usuaris (empreses o institucions) que s’hagin vist afectades per aquest fenomen, ni tampoc referències a aquest tipus de problema, i per tant, que permetin comptabilitzar els costos dels danys produïts per les descàrregues atmosfèriques durant un any. Per posar un exemple, un llamp impacte en les proximitats d’una línia de distribució i deixa a mitja ciutat sense llum durant unes hores, quin cost té aquest fet? Realment es perden diners i la inversió per evitar aquestes pèrdues compensa el cost? A més d’aquest cost, cal comptabilitzar el cost del material que es fa malbé propi de les línies i la infraestructura de la xarxa elèctrica i la mà d’obra per reparar el defecte. Des d’aquest punt de vista, es podrien estudiar les afectacions dels llamps i crear un programa de manteniment preventiu, és a dir, sabent el nombre d’events que es succeeixen en una línia i en quins punts esdevenen, reparar, substituir o modificar els elements més convenients (per exemple, els parallamps) en els diversos punts, evitant així, algun dels defectes que es podrien produir. Un altre enfocament d’aquest primer punt podria ser estudiar l’afectació dels llamps i detecció dels punts més crítics de la xarxa, és a dir, els que es veuen més castigats per aquest fenomen i, a partir d’aquí, estudiar si aquest fet és degut a algun tipus de canvi Projecte Final de Màster “Influència de les descàrregues atmosfèriques a les Smart Grids” Mònica Brunet Pladevall - 88 - del sistema que hi hagi hagut, com per exemple, alguna modificació de la posta a terra, de l’estructura de la torre o simplement és un punt més crític a nivell atmosfèric, és a dir, sense relació amb l’estructura de la xarxa. Continuant amb això, si l’estudi realitzat fos prou ampli, permetria determinar un índex de qualitat del sistema. Amb una història completa dels llamps i un estudi dels defectes que aquests han produït, determinar la qualitat del sistema en base al nombre de tempestes i llamps succeït i el nombre de faltes detectades degut a aquest fenomen que han fet minvar la qualitat de subministrament elèctric en determinats moments. Per tant, tot aquest possible estudi podria servir per posar a disposició de la companyia elèctrica el sistema de detecció de llamps a temps real per poder gestionar el programa de manteniment que es comentava anteriorment i poder evitar així, possible danys a la xarxa. Finalment s’ha pensat en el concepte de prevenció, és a dir, de la mateixa manera que hi ha el concepte self-healing, establir un nou concepte de self-prevention. En aquest concepte es pretendria utilitzar el sistema de detecció de llamps a nivell preventiu, és a dir, en les proximitats d’una tempesta elèctrica gestionar el flux energètic per minimitzar els danys que es puguin ocasionar. Es podria fer de diverses maneres. Una primera proposta seria crear un sistema de comunicació entre les xarxes intel·ligents i la detecció de llamps. I una segona proposta seria crear un perfil de protocol de comunicació amb les SE per gestionar la desconnexió dels elements corresponent per protegir-los. Continuant amb aquest concepte, una segona proposta de línia d’investigació giraria a l’entorn de determinar un nivell de perill o risc a partir de les dades del sistema de detecció de llamps. És a dir, s’ha vist que les Smart Grids estan equipades amb molts elements. Cada un d’ells amb una sensibilitat determinada, per tant, amb uns efectes molt diferents en front de la mateixa falta. És per això que es podria fer un pronòstic del nivell de risc a qualsevol punt de la xarxa. És a dir, a partir de les dades dels llamps (posició: latitud, longitud, intensitat, duració, descàrregues subseqüents, etc) caiguts en una zona determinada, analitzar com afectarien aquests llamps a cada un dels elements que conformen les xarxes intel·ligents i determinar la sensibilitat o vulnerabilitat que tenen els components en front de les descàrregues atmosfèriques de la zona. D’aquesta manera, en el moment que es detectés la proximitat d’una tempesta, com que es coneixeria el risc de dany del tram de línia afectat, es podria determinar si es considera convenient gestionar l’energia o mantenir el sistema intacte. Serviria per crear un programa de prevenció de danys, és a dir, permetria millorar la qualitat de subministrament elèctric. A més a més, la informació sobre el risc imminent de zones concretes es podria utilitzar per connectar o desconnectar fonts de generació distribuïda. Dit d’una altre manera, si es coneix un risc en una zona propera a una tempesta, en el cas que estigui alimentada per fonts de generació distribuïda i es consideri que també hi pot causar un defecte, desconnectar-les. O per altre banda, connectar aquest tipus de fonts per redistribuir el flux energètic des d’un altre punt, per poder aïllar el tram de línia amb risc.