Aplicación Art. 3-22 de NTSyCS CDEC SIC · de voltaje y geometría, de tal forma de operar en el...

Informe DPD N°04/2015

Aplicación Art. 3-22 de NTSyCS

CDEC SIC

30 de junio de 2015

Contenido

1. ANTECEDENTES ............................................................................................................................... 3

2. METODOLOGÍA ............................................................................................................................... 4

2.1 REVISIÓN PRELIMINAR ................................................................................................................................. 4

2.2 ANÁLISIS DE LÍNEAS SELECCIONADAS ............................................................................................................... 4

2.3 RESULTADOS DEL ESTUDIO: .......................................................................................................................... 5

3. REVISIÓN PRELIMINAR .................................................................................................................... 6

4. RESULTADOS ................................................................................................................................... 9

5. RECOMENDACIÓN ........................................................................................................................... 9

6. ANEXO 1: REVISIÓN PRELIMINAR .................................................................................................. 11

6.1 FLUJO DESBALANCEADO Y CIRCUITO A ANALIZAR ............................................................................................ 11

6.2 CONDUCTORES ........................................................................................................................................ 12

6.3 GEOMETRÍA DE ESTRUCTURAS Y ESCENARIO CONSIDERADO EN CADA CASO. ......................................................... 16

7. ANEXO 2: CONSIDERACIONES PARA EVALUAR ESTADO DE CUMPLIMIENTO ARTÍCULO 3-22. ........ 19

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Minuta DPD N°1/2015 – 22 de enero de 2015 3

1. Antecedentes

De acuerdo a lo indicado en el Artículo 10-8 de la NTSyCS vigente, corresponde a la DPD realizar el

estudio para determinar qué líneas de transmisión en operación deben cumplir con lo indicado en

el Artículo 3-22. Este estudio debe ser realizado en un plazo no superior a un año desde la entrada

en vigencia de la NTSyCS, es decir, debe concluir a fines de junio de 2015.

El Artículo 3-22 indica que las líneas de transmisión deben garantizar que al transmitir la potencia

correspondiente a su límite térmico a 25ºC con sol, en Estado Normal, el desbalance de tensiones

en su extremo receptor no supere los siguientes límites:

Inferior al 1,0% para líneas de tensión igual o superior a 200 [kV];

Inferior al 1,5% para líneas de tensión inferior a 200 [kV].

Además la norma indica, en el mismo artículo, que en el caso de no cumplir los límites anteriores

se deben incluir los ciclos de transposiciones necesarios para cumplir con los límites indicados.

De la interpretación de la norma se distinguen tres casos, los cuales se presentan a continuación:

a. Nuevos proyectos de Transmisión:

La norma establece que en el estudio del impacto de la nueva instalación, que debe ser

presentado por el Coordinado para aprobación de la DO, se debe demostrar el cumplimiento

de esta exigencia mediante una simulación, que considere en el extremo transmisor una

fuente ideal balanceada sólidamente puesta a tierra y en el extremo receptor una carga ideal

balanceada con factor de potencia 0,98 inductivo, también puesta a tierra.

El cálculo de este “índice de desbalance” se realiza en conformidad con la norma IEEE 1159. Al

respecto, la NTSyCS indica: “…el índice de desbalance se debe medir como la máxima

desviación, en módulo, de las tensiones entre fases respecto del promedio de ellas, dividida por

dicho promedio, donde los subíndices i y j corresponden a las fases A, B y C, de acuerdo a lo

siguiente:

𝑢 = 100 × [𝑈𝑖𝑗 − 𝑈𝑝𝑟𝑜𝑚

𝑈𝑝𝑟𝑜𝑚]

b. Instalaciones de Transmisión en Operación:

El presente estudio determinará que instalaciones de transmisión en operación deben cumplir con lo indicado en el artículo 3-22. A su vez, el artículo 10-8 indica que los coordinados contarán con un plazo a convenir con la DO para ejecutar la transposición en aquellas líneas que no cumplan con el artículo.

c. Proyectos de seccionamiento o derivación de líneas existentes:

En este caso se define que en los estudios técnicos realizados por el Coordinado que solicita la

conexión, se debe verificar que el impacto del Nuevo Proyecto mantiene el cumplimiento de

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los límites de desbalance establecidos. En caso contrario, corresponderá adaptar los ciclos de

transposición de la línea a las nuevas condiciones.

2. Metodología

2.1 Revisión preliminar

Para cumplir con la exigencia del artículo 10-8 de la NTSyCS se desarrollará una revisión

preliminar con el fin de identificar, de acuerdo al impacto del desbalance de tensión, cuales

son las líneas a estudiar.

Para determinar las líneas de transmisión a revisar se realizará primero un filtro mediante

simulaciones en DIgSILENT para determinar el comportamiento del desbalance de tensión

relacionado con variables como: longitud, transferencia y nivel de tensión; una vez obtenidos

los resultados de dicho análisis se procederá a definir las líneas de transmisión en operación

que deben cumplir con lo indicado en el Artículo 3-22.

2.2 Análisis de líneas seleccionadas

Con el fin de garantizar el cumplimiento del Art. 3-22 de la NTSyCS en Líneas de Transmisión

en operación se realizará un estudio teórico, mediante un análisis de flujo de potencia, para

cada una de las líneas que cumplan con los criterios de la revisión preliminar. Para ello se

utilizará cada modelo de las Líneas de Transmisión, considerando su longitud, tipo de

conductor, tipo de estructuras y trasposiciones, en un sistema simplificado con las

características:

En el extremo transmisor una fuente ideal balanceada sólidamente puesta a tierra;

En el extremo receptor una carga ideal balanceada con factor de potencia 0,98 inductivo, también puesta a tierra;

La simulación debe considerar que la transferencia por la línea sea la potencia correspondiente al límite térmico de esta, a 25ºC con sol;

Otros detalles en el Anexo 2. Dependiendo del grado de cumplimiento (resultados del estudio teórico) y de las condiciones particulares de cada línea analizada, se plantea además como complemento un estudio práctico (empírico). Para ello, las principales condiciones que debe cumplir dicho estudio son las siguientes:

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Utilizar un analizador de red o equivalente, Clase A de acuerdo a la norma IEC 61000-4-30;

El instrumento utilizado debe contar con certificados vigentes (antigüedad menor a un año) emitido por un laboratorio de calibración acreditados en el Sistema Nacional de Acreditación del INN que demuestre trazabilidad a un Patrón Nacional con trazabilidad internacional al Sistema SI (BIPM), o en su defecto, a un laboratorio internacional reconocido y con trazabilidad demostrada.

El instrumento debe utilizar magnitudes provenientes de secundarios de Transformadores de Medida con precisión de facturación (Clase 0.2)

El estudio se realizará con análisis estadístico de calidad de energía para el cual se deben considerar las siguientes condiciones:

Se debe realizar en condiciones normales de servicio (Estado Normal de acuerdo a la NTSyCS).

Se debe realizar mediante registro continuo de tensión durante 7 (siete) días.

El registro de tensión se desarrollará en periodos de 10 (diez) minutos, considerando el valor eficaz o rms. de las tensiones de fase y tensión promedio en dicho periodo.

Para cada periodo de 10 minutos se registrarán en una tabla las tres tensiones de fase y la tensión promedio, además se evaluará el índice de desbalance indicando si cumple o no, durante el periodo, con la exigencia de la norma.

2.3 Resultados del Estudio:

En este informe se presentarán los resultados de los índices de desbalance para cada línea de

transmisión estudiada y se recomendarán las medidas necesarias para su normalización. Para

los futuros análisis, se sugiere que para cada línea de transmisión estudiada, los informes

contengan como mínimo los siguientes campos:

a) Estudio Teórico: i. Informe:

Instalación Estudiada;

Características técnicas de la instalación (longitud, tipo de conductor, tipo de estructuras y trasposiciones, etc.);

Esquema simplificado de análisis;

Presentación de resultados: En este campo se debe indicar el índice de desbalance y si la instalación estudiada cumple con la exigencia del artículo 3-22 de la NTSyCS;

Comentarios o conclusiones. ii. Anexos

Resultados de simulación;

Parámetros del modelo DIgSILENT

b) Estudio Práctico: i. Informe:

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Instalación Estudiada;

Fecha y lugar donde se realizaron las medidas;

Instrumentos utilizados;

Datos de placa del TTMM (razón, clase de precisión);

Esquema simplificado de medida;

Presentación de resultados: En este campo se debe indicar porcentualmente cuantas muestras cumplen con la exigencia del artículo 3-22 de la NTSyCS, sobre el total de muestras realizadas;

Comentarios o conclusiones.

ii. Anexos

Certificado del instrumento;

Diagrama elemental de Corriente Alterna identificando los puntos en donde se tomaron las medidas;

Tabla Excel, con datos registrados en el periodo de medición.

3. Revisión Preliminar

Para realizar el primer filtro, se considerará que los parámetros técnicos más relevantes que

influyen en el desbalance de la línea son los siguientes:

Tipo de Geometría de la torre;

Longitud de la línea de transmisión;

Carga.

El tipo de geometría y la carga se fijarán considerando modelos adecuados de las líneas de

transmisión del SIC y lo indicado en el artículo 3-22. Manteniendo estos parámetros fijos, se

variará la longitud de las líneas con el fin de encontrar la distancia máxima a la cual la línea de

transmisión cumple con el índice de desbalance máximo de 1% indicado en la norma técnica.

a. Tipo de Geometría de Torres de las líneas

Se enfocará este primer estudio a las líneas del Sistema de Transmisión Troncal, por lo tanto se analizarán geometrías de líneas de voltaje 220 kV y 500 kV. El tipo de geometría se entiende como un parámetro relevante, pero sólo en el caso de cambios de nivel de voltaje (esto se demostrará comparando dos tipos de estructuras de 500 kV), por lo tanto, dentro de un nivel de voltaje se elegirá una geometría “genérica”. Las estructuras a analizar serán:

Líneas de 500 kV de doble circuito, con estructuras de un circuito: Líneas tipo 1 y tipo 2.

Líneas de 220 kV de doble circuito, con estructuras de doble circuito: Línea tipo 3.

Líneas de 220 kV de triple circuito: Línea de tipo 4.

Líneas de 220 kV de un circuito: Línea tipo 5.

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Para determinar los parámetros de la línea, la geometría típica de la torre será complementada con parámetros típicos de conductores y cables de guardia. Los datos de la modelación de las líneas tipo 1, 2, 3, 4 y 5 se encuentran en el Anexo 1.

b. Longitudes:

Como se indicó, para cada caso, es decir, carga y geometría de línea, se calculará una distancia mínima que permita llegar al máximo de desbalance indicado por la norma.

c. Cargas a considerar:

El nivel de carga que tiene una línea es un parámetro relevante para el desbalance, dado que mientras mayor flujo (y por lo tanto corriente) circule por la línea, mayores serán las diferencias de tensión en el extremo receptor. Según la NTSyCS, para cada tipo de línea se deben realizar los cálculos considerando una carga 0,98 inductiva en Estado Normal y que lleve a la línea a su límite térmico considerando temperatura ambiente 25ºC con sol. En los casos de líneas de doble circuito que operan en estado normal (considerando criterio N-1), ambos circuitos no operan en sus respectivos límites térmicos, dado que la capacidad adicional de cada circuito sirve como respaldo del circuito que opera en paralelo. Por lo tanto, se considerará que las líneas en doble circuito operan en límite térmico cuando cada circuito opera a la mitad de su capacidad de transmisión, de tal forma de preservar el criterio N-1. El escenario a considerar serán las cargas máximas de diseño “representativas” para cada tipo de voltaje y geometría, de tal forma de operar en el límite térmico. De esta forma, las cargas serán las siguientes:

Líneas de 500 kV de doble circuito, con estructuras de un circuito: Tipo 1: 772 MVA (sólo se modela estructura de 1 circuito) Tipo 2: 902 MVA (sólo se modela estructura de 1 circuito)

Líneas de 220 kV de doble circuito: Tipo 3: 290 MVA, 145 MVA por circuito (se modelan estructuras de 2 circuitos)

Líneas de 220 kV de triple circuito: Tipo 4: 580 MVA, 190 MVA por circuito.

Líneas de 220 kV de un circuito: Tipo 4: 190 MVA

d. Caídas de tensión de las líneas

Dependiendo de la carga de la línea de transmisión, la caída de tensión entre su extremo transmisor y receptor debe ser tal que opere dentro de los rangos de la norma técnica, es decir:

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0,97 y 1,03 por unidad, para instalaciones del ST1 con tensión nominal igual o superior a 500 [kV].

0,95 y 1,05 por unidad, para instalaciones del ST con tensión nominal igual o superior a 200 [kV] e inferior a 500 [kV].

Resultados de la Revisión Preliminar

Los resultados se presentan tanto para estado normal, como para el estado sin condiciones de límite de tensión en el extremo receptor:

Condición Normal Sin Límite de Tensión Línea Compensada

Long. [km]

Desb. [%]

V [pu]

Long. [km]

Desb. [%]

V [pu]

Long. [km]

Desb. [%]

V [pu]

Reactor [MVA]

Tipo 1 (2x500 kV)

71 0,63 0,97 107 0,99 0,95 116 0,99 0,97 135

Tipo 2 (2x500 kV)

68 0,70 0,97 94 0,99 0,95 102 0,99 0,97 140

Tipo 3 (2x220 kV)

82 0,34 0,95 158 0,99 0,88 146 0,99 0,95 90

Tipo 4 (3x220 kV)

60 0,33 0,95 118 0,99 0,88 109 1 0,95 130

Tipo 5 (1x220 kV)

79 0,68 0,95 102 1,00 0,93 101 0,99 0,95 19

Tabla 1 Evaluación Preliminar para determinar Líneas a Estudiar

Como se puede apreciar en la Tabla 1, la condición de mínima tensión en el extremo receptor es

más restrictiva respecto de la longitud máxima de la línea que la condición de desbalance mínimo.

Al relajar el criterio de mínimo voltaje, el desbalance máximo se da para ciertas longitudes de línea

que no dependen en gran medida de la compensación reactiva en el extremo receptor.

A partir de las simulaciones realizadas se obtienen resultados que permiten identificar condiciones

en las que el desbalance de tensiones cumple con la exigencia normativa y otros casos, sobre las

cuales es necesario estudiar en detalle el cumplimiento de ésta de acuerdo a lo indicado en la

Metodología del presente informe; de acuerdo a lo anterior las instalaciones a revisar en detalle

son las siguientes:

Para líneas troncales de simple y triple circuito, de nivel de tensión 220 [kV], el estudio

considerará las líneas de longitud superior a 100 [km], con una carga aproximada de 290 y

580 MVA respectivamente.

Para líneas troncales doble circuito, de nivel de tensión 220 [kV], el estudio considerará las

líneas de longitud superior a 150 [km], con una carga aproximada de 290 MVA.

1 Sistema de Transmisión

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Para líneas troncales doble circuito, de nivel de tensión 500 [kV], el estudio considerará las

líneas de longitud superior a 110 [km], con una carga aproximada de 1544 MVA.

Dado que el nivel de carga es un parámetro relevante, también se revisarán las líneas de menor

longitud, pero con un diseño térmico superior a lo estudiado.

4. Resultados

Teniendo presente los criterios del Título 3, se eligieron 14 líneas de transmisión pertenecientes al

Sistema Troncal, a las que posteriormente se les aplicó a cada una el análisis teórico. Dada su

relevancia, la complejidad de realizar mediciones sin perturbaciones de la red y las

recomendaciones de este informe, los resultados acá presentados no consideran la necesidad de

efectuar algún estudio empírico.

Línea estudiada Índice de Desbalance [%]

Línea 1x220kV Cautín – Ciruelos 0,18

Línea 1x220kV Duqueco – Temuco 1,51

Línea 1x220kV La Cebada – Pan de Azúcar 0,77

Línea 1x220kV Valdivia – Rahue 0,08

Línea 1x220kV Rahue – Puerto Montt 0,12

Línea 1x220kV Valdivia – Puerto Montt 0,12

Línea 1x220kV Charrúa - Lagunillas 0,06

Línea 3x220kV Maitencillo – Cardones 0,48

Línea 2x500kV Ancoa – Alto Jahuel 0,49

Línea 2x500kV Charrúa – Ancoa 0,08

Línea 2x220kV Nogales – Polpaico 20,74

Línea 2x220kV Polpaico – Quillota 1,36

Línea 2x220kV Ancoa - Itahue 0,89

Línea 2x220 kV Colbún-Candelaria 1,98 Tabla 2 Desbalance de las líneas estudiadas

5. Recomendación

Considerando la época en la cual fueron diseñadas las líneas de transmisión analizadas, para

discriminar las instalaciones que deben ser normalizadas, se ha utilizado el criterio en base al

estándar IEEE 1159, utilizado como referencia de diseño para líneas de transmisión antes de la

actual versión de la NTSyCS. Dicho estándar de IEEE considera, en estado estacionario, como

normal un índice de desbalance de tensiones en el rango 0,5 a 2%.

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De acuerdo a los resultados presentados en la Tabla 2, se recomienda normalizar la condición de

diseño de la Línea 2x220kV Nogales – Polpaico, propiedad de Transelec, ya que de acuerdo a los

análisis realizados el índice de desbalance de tensión en el extremo receptor es superior a un 20%.

Para tal efecto el propietario deberá proponer en un plazo de 6 meses un plan de normalización

mediante implementación de trasposiciones o bien diseñar e implementar una solución de

compensación reactiva monofásica que permita llevar la condición de diseño a lo exigido por la

NTSyCS en el artículo 3-22.

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6. Anexo 1: Revisión Preliminar

6.1 Flujo desbalanceado y Circuito a Analizar

Los cálculos se realizaron en DIgSILENT PowerFactory 15.1. Los flujos de potencia fueron trifásicos,

desbalanceados, considerando la resistencia de los cables a 20ºC, considerando las cargas sin

dependencia de voltaje.

Las resistencias de los cables se consideraron a 20ºC. Cuándo la línea está en operación, las

resistencias son mayores que las de 20ºC, por lo que, en teoría, las longitudes para las cuales es

necesaria la transposición son menores. Se estima, mediante un simple análisis de sensibilidad,

que para la primera revisión este parámetro es poco relevante y, por lo tanto, es posible utilizar la

resistencia del conductor a 20ºC.

Los circuitos analizados fueron construidos como lo indica el artículo 3-22 de la norma técnica:

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Extremo transmisor: Fuente ideal balanceada sólidamente puesta a tierra.

Extremo receptor: Carga ideal balanceada con un factor 0,98 inductivo, aterrizada.

6.2 Conductores

Los datos utilizados para modelar los conductores de las líneas consideradas son los siguientes:

AAC Hawthorn: MCM 1192 (604,2 mm2), 2 conductores por fase

Voltaje Nominal: 500 kV

Corriente Nominal: 1,24 kA

Número de subconductores: 2

Resistencia DC (20ºC): 0,0477 ohm/km

GMR (radio Equivalente): 31,96*0,7788/2=12,44 mm

Diámetro exterior: 31,96 mm

Separación entre subconductores: 400mm

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Nota 1: En todos los conductores, el voltaje nominal no influye en los cálculos que realiza el

programa para calcular los desbalances.

Nota 2: En los conductores de 500 kV, la corriente nominal es la que corresponde al diseño

térmico de la línea de transmisión, no a la del sub-conductor. Este parámetro, al igual que el

voltaje nominal, no influye en los cálculos de desbalance.

Nota 3: En todos los conductores, el Radio Medio Geométrico se determinó con la fórmula:

𝐺𝑀𝑅 = 𝑟 ∗ 𝑒1/4 ≈ 𝑟 ∗ 0,7788

ACAR 700 MCM (354,7 mm2), 4 conductores por fase.




Resistencia DC (20ºC): 0,0858

GMR (radio Equivalente): 24,45*0,7788/2 = 9,52

Diámetro exterior: 24,45

AAAC Flint




Resistencia DC (20ºC): 0,89

GMR (radio Equivalente): 25,16*0,7788=9,79

Diámetro exterior: 25,16

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Nota 4: En este caso, dado que se analizaran distintas líneas con el mismo conductor, la corriente

ingresada corresponde a la capacidad del conductor. Se recuerda que este parámetro no influye

para los objetivos de este análisis.

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Cables de guardia EHS 3/8”, para 220kV y 500kV.

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6.3 Geometría de Estructuras y Escenario considerado en cada caso.

Geometría línea 500 kV simple circuito

Línea tipo 1: Estructuras de simple circuito; Dos cables de guardia; Dos subconductores

AAC Hawthorn por fase; límite térmico del doble circuito 1544,4 MVA.

Conductor X [m] Y [m]

A 1,425 23,2

B 12,2 23,2

C 22,975 23,2

CG1 0 26,94

CG2 24,4 26,94

La altura al suelo se calculó considerando una distancia mínima al suelo de 9 [m].

Línea tipo 2: Estructuras de simple circuito; Dos cables de guardia; 4 subconductores ACAR

700 MCM; límite térmico del doble circuito 1804 MVA.

Conductor X [m] Y [m]

A 0 22,82

B 12 22,82

C 24 22,82

CG1 1,818 27,75

CG2 22,182 27.75

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Geometría línea 220 kV doble circuito

Línea Tipo 3: Estructuras de doble circuito; Un cable de guardia; Un conductor Flint por

fase; Límite térmico del doble circuito 290 MVA.

Conductor X2 [m] Y2 [m] X1 [m] Y1 [m]

A 0,5 20,78 7,965 12,52

B 0 16,65 8,43 16,65

C 0,365 12,52 7,93 20,78

CG1 4,215 26,8 - -

Se supuso distribución de fases de mínima impedancia: a1, b1, c1; c2, b2, a2.

Línea Tipo 4: Con el fin de abarcar el escenario de líneas en 220 kV que operan con 3

circuitos (una estructura de doble circuito más una estructura de un circuito), se simulará

una estructura de doble circuito, con las mismas características anteriores, pero

considerando una potencia de operación por circuito de 193 MVA. El circuito restante

(línea de estructuras de 1 circuito) se modelará separadamente, y servirá su análisis tanto

para este escenario como para líneas de un circuito que operan con criterio N.

Geometría línea 220 kV simple circuito:

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Línea Tipo 5: Estructuras de un circuito; Sin cable de guardia; Un conductor AASC Flint por

fase; Límite térmico de la línea 190 MVA.

Conductor X1 [m] Y1 [m]

A 0,8 15

B 0 12

C 7,72 12

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7. Anexo 2: Consideraciones para evaluar estado de cumplimiento Artículo

3-22.

El índice de desbalance de tensión se debe calcular en conformidad con la norma IEEE 1159, según se indica en el Artículo 3-22 de la NTSyCS.

El cálculo se debe realizar mediante DIgSILENT PowerFactory, considerando en el extremo transmisor de la línea una fuente ideal balanceada, sólidamente puesta a tierra y en el extremo receptor, una carga ideal balanceada, también puesta a tierra. Las cargas deben ser: En las líneas de simple circuito: Carga igual al límite del tramo, con factor de potencia 0,98

inductivo. En las líneas de doble circuito: Carga total del doble circuito igual al límite del circuito de

menor capacidad (criterio N-1) con factor de potencia 0,98 inductivo. En las líneas de triple circuito: Carga total del triple circuito igual a los 2/3 del circuito de

menor capacidad (criterio N-1), con factor de potencia 0,98 inductivo.

Límite del circuito para este cálculo se entiende como la máxima corriente que puede pasar por éste considerando las limitaciones térmicas de cada uno de los elementos serie conectados hasta la conexión a la barra de la subestación.

Para efectos de modelar la geometría de la línea, se debe considerar la estructura más representativa del tramo, es decir, la de mayor cantidad en el tramo.

Voltaje en el extremo transmisor igual a 1 [pu]. No se debe considerar la caída de voltaje del extremo receptor como un motivo de no cumplimiento del Estado Normal.

No se deben considerar las conexiones en Tap Off de los tramos estudiados.

Se deben considerar los efectos mutuos entre circuitos.

Se deben modelar las transposiciones de las líneas.

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