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EQUIPO: IEA´S
 Torres Canizalez Mauro
 Cabrera López Víctor
 Rivera Hernández Ulises Alfonso
 Álvarez Villalón Iván
OBJETIVO
El módulo deberá tener las dimensiones adecuadas para ser utilizado en
el estante que se encuentra en el laboratorio de sistemas de potencia.
Se requiere de este módulo para una mejor comprensión de los temas
referentes a líneas de transmisión que se abordan en las materias de
sistemas de potencia.
Diseñar y construir un módulo experimental de una línea de
transmisión de 400 kV.
PROTOTIPO
JUSTIFICACIÓN
Para algunos conceptos es más fácil su
comprensión si estos son tangibles o
si pueden ser observados físicamente y
mediante el análisis de su
comportamiento.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La línea de transmisión es el elemento que transporta la
energía eléctrica desde la estación generadora hasta la carga.
Se compone de tres o más conductores desnudos, pueden
transportar la energía eléctrica a través de cientos de
kilómetros.
Por lo tanto, el reto será construir un módulo de dimensiones
compactas que sea capaz de mantener los fenómenos que
ocurren en una línea de transmisión como los parámetros
concentrados y se consideraran parámetros constantes.
TRANSFORMAR LA VOZ DEL CLIENTE
3.611%
18.333%
8.056%
10.278%
2.778%
15.278%
17.222%
11.111%
9.722%
3.611%
VOLUMEN
DIDÁCTICO
COSTO ACCESIBLE
RESISTENTE
PESO
DISTINTOS TIPOS DE LÍNEA
DISTINTOS MODELOS DE LÍNEA
SEGURIDAD
PRECISIÓN
ESTÉTICA
Volumen Didáctico Costo accesible Resistente Peso
Distintos tipos
de línea
Distintos
modelos de línea
Seguridad Precisión Estética
Series1 3.611% 18.333% 8.056% 10.278% 2.778% 15.278% 17.222% 11.111% 9.722% 3.611%
NECESIDADES DEL CLIENTE
CASA DE LA CALIDAD
RESULTADOS OBTENIDOS
ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN
PROPUESTA 1
Se consideró caja de acrílico para observar el interior del módulo y
sus componentes.
PROPUESTA 2
Se propuso estudiar la línea a diferentes distancias.
PROPUESTA 3
Se propuso el estudio de modelo de línea corta y modelo π con
desconexión usando relevadores.
VENTAJAS
DESVENTAJAS
ELECCIÓN DE ALTERNATIVA
SELECCIÓN DE PROPUESTA
Acorde al análisis que se realizó a cada
una de las propuestas de solución
planteadas, se determinó que la propuesta
de solución óptima por tiempo y recursos,
que además cumple con lo especificado.
COMPARATIVA
Módulo de línea de transmisión.
Modelo 8370.
Módulo de línea de transmisión
150Km/300Km (93,2 millas/186,4
millas), No.: CO3301-3A
Módulo de línea de
transmisión. Modelo DL
7901TT.
Labvolt
$ 55,600.00
Lucas Nüll
$433,582.56
De Lorenzo
$ 49,750.00
COMPARATIVA
Dispositivos Cantidad Precio unitario Total
Medidores de tensión y
corriente
6 $360,00 $2100,00
Capacitores
4.7 µF
250 V
12 $17,00 $204,00
Capacitores
25 µF
250 V
4 $44,00 $176,00
Bobinas de 87.1 mH 3 $754,00 $2262,00
Resistencias de 7 Ω a 50
Watts
3 $140,00 $420,00
Lamina perforada 1 $500,00 $500,00
Baquelita 1 $500,00 $500,00
Bornes 8 $800,00 $800,00
Accesorios SC $178.50 $178.50
Grabado Laser 1 $90,00 $90,00
Total (MXN) $7230,50
Descripción Días $/Hr Hr/día
Mano de obra 60 $77.00 8 $36960,00
Total $44190,50
IEA’s
DESARROLLO
Tensión linea a linea (KV) Capacidad de transmisión (KVA) Corriente (A)
115 50000 251
138 72000 301
230 200000 502
345 450000 753
500 945000 1091
765 2200000 1660
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Corriente
Voltaje
Tensión contra corriente
Tensión contra corriente
Tensión línea a línea (kV) Capacidad de trasmisión (kVA) Corriente (A)
Para obtener el valor de corriente deseado se utiliza la interpolación, tomando los 400 kV
como dato inicial.
𝑌 = 𝑌𝑎 + (𝑋 − 𝑋 𝑎)
(𝑌𝑏− 𝑌𝑎)
(𝑋 𝑏 − 𝑋 𝑎)
Sustituyendo valores:
𝐼 = 753 + (400𝐾 − 345𝐾)
(1091 − 753)
(500𝐾 − 345𝐾)
𝐼 = 872.94 𝐴
Para calcular el nivel de potencia utilizamos:
𝑆 = 3 𝑉 ∗ 𝐼
𝑆 = 3 400𝐾 (872.94)
𝑆 = 604.8 𝑀𝑉𝐴
De la empresa Latincasa se obtienen los siguientes conductores
que cumplen la especificación CFE E0000-18.
• Lo tipos y calibres de conductores normalmente usados en las líneas de transmisión por la CFE
son las siguientes:
• Para 400 kV: ACSR 1113 KCM
• Para 230 kV: ACSR 900 KCM, ACSR 795 KCM, ACSR KCM
• Para 115 kV: ACSR 477 KCM, ACSR 795 KCM
Se elige un cable BLUE JAY/AS ACSR/AS 1113 con las siguientes especificaciones:
Diámetro de conductor = 3.18 cm
T = 1.1925 cm
𝑅𝑀𝐺 = 1.26492 cm
Resistencia eléctrica c.d. nominal = 0.050853 Ω/Km
En las líneas de 400 KV se usan 2 conductores por fase con el objetivo de reducir la
inductancia y el efecto corona.
La distancia entre conductores para niveles de alta tensión se especifica de 2 a 6 pulgadas,
por seguridad se recomienda una distancia de 45 cm.
Tabla 1.4 Tabla 1.5
Distancias mínimas verticales de
Conductores sobre vías férreas, suelo o agua. (CNEE No.
47-99).
Distancias mínimas de seguridad entre
conductores y cables soportados por
Diferentes estructuras. (CNEE No. 47-99).
.
En base a la tabla 1.4 se calcula la distancia mínima vertical de seguridad
sobre carreteras.
5.6 + 0.01 378 = 9.38 𝑚
El anterior incremento deberá aumentar en un 3% por cada 300m de altura
de exceso de 1000msnm, teniendo en consideración que San Luis Potosí se
encuentra a 1860msnm:
9.38 + 9.38 0.09 = 10.25 𝑚
Utilizando la tabla 1.5 se determina la distancia mínima de
seguridad entre conductores.
0.6 + 0.01 378 = 4.38 𝑚
El anterior incremento deberá aumentar en un 3% por cada 300m
de altura de exceso de 1000msnm.
4.38 + 4.38 0.09 = 4.8 𝑚
CABLES DE GUARDA
𝐷 = 9.78 mm
𝑇 = 2.934 𝑚𝑚
𝑅𝑀𝐺 = 0.4 cm
𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝐶. 𝐷. 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 = 1.463 Ω/𝐾𝑚
𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 ℎ𝑖𝑙𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑔𝑢𝑎𝑟𝑑𝑎 𝑎 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 = 34.15 𝑚
𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 ℎ𝑖𝑙𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑔𝑢𝑎𝑟𝑑𝑎 = 8.65 𝑚
La elección de las distancias se tomó
considerando la estructura de la figura
No.1, que cumple con la NRF-014, en la
cual se puede trabajar como caso real.
𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑎 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 = 25 𝑚
𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 = 10 𝑚
Las distancias de la estructura supera las
calculadas anteriormente, cumpliendo
con las normas especificadas.
Figura No. 1
Se utilizó la herramienta de Matlab® power_lineparam para el cálculo de los
parámetros de la línea de transmisión.
RESULTADOS OBTENIDOS
Se realizó el escalamiento de los valores obtenidos en el
power_lineparam
𝑉𝐵𝐴𝑆𝐸 =
400 𝑘𝑉
220 𝑉
= 1818.181818 𝑝. 𝑢. 𝐼 𝐵𝐴𝑆𝐸 =
872.94 𝐴
5 𝐴
=174.588p. u.
𝑍 𝐵𝐴𝑆𝐸 =
𝑉 𝐵𝐴𝑆𝐸
𝐼 𝐵𝐴𝑆𝐸 𝑥 3
=
1818.181818
174.588 x 3
= 6.01 𝑝. 𝑢.
𝑍 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 =
𝑍 𝑅𝐸𝐴𝐿
𝑍 𝐵𝐴𝑆𝐸
R=300 KM x R
Ω
𝐾𝑀
𝑋 𝐿 = 300 𝐾𝑀 𝑥 𝐿
𝐻
𝐾𝑀
𝑥 2𝜋𝑓
𝑋 𝐶 = (300 𝐾𝑀 𝑥 𝐶
𝐹
𝐾𝑀
𝑥 2𝜋𝑓)−1
 Matriz R 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 =
6.86605657 5.57920133 5.44642263
5.57920133 6.96988353 5.57920133
5.44642263 5.57920133 6.86605657
 Matriz XL 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 =
30.824271 12.4996371 10.0001989
12.4996371 30.6718433 12.4996371
10.0001989 12.4996371 30.824271
 Matriz XC 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 =
149.177298 −780.436811 −2216.49933
−780.436811 144.306173 −780.436811
−2216.49933 −780.436811 149.177298
𝑅 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 =
𝑅 𝑅𝐸𝐴𝐿
𝑍 𝐵𝐴𝑆𝐸
XC 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 =
𝑋 𝐶 𝑅𝐸𝐴𝐿
𝑍 𝐵𝐴𝑆𝐸
XL 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 =
𝑋 𝐿 𝑅𝐸𝐴𝐿
𝑍 𝐵𝐴𝑆𝐸
Matrices de resistencia, reactancia inductiva y capacitiva.
CICLO DE TRANSPOSICIÓN
𝑅 𝑇 =
𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3
3
𝐿 𝑇 =
𝐿1 + 𝐿2 + 𝐿3
3
𝐶 𝑇 =
𝐶1 + 𝐶2 + 𝐶3
3
L 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 =
𝑋 𝐿 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜
2𝜋𝑓
C 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 =
1
2𝜋𝑓𝑋 𝐶 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜
MATRICES DE INDUCTANCIA Y CAPACITANCIA
Matriz L 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 =
0.0871 0.0309 0.0309
0.0309 0.0871 0.0309
0.0309 0.0309 0.0871
Matriz C 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 =
1.629𝐸 − 05 −2.231E − 06 −2.231E − 06
−2.231E − 06 1.629𝐸 − 05 −2.231E − 06
−2.231E − 06 −2.231E − 06 1.629𝐸 − 05
Matriz R 𝑇 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 =
6.900665557 5.53494176 5.53494176
5.53494176 6.900665557 5.53494176
5.53494176 5.53494176 6.900665557
IMPLEMENTACIÓN DEL MÓDULO BASADO EN EL MODELO π
Los parámetros de la sección de línea de RLC se calculan como
sigue:
𝑅1 = 1.365 Ω/𝑘𝑚 𝑅0 = 17.963 Ω/𝑘𝑚
𝐿1 = 0.056 H/km 𝐿0 = 0.149 H/km
𝐶1 = 18.5 𝜇𝐹/𝑘𝑚 𝐶0 = 11.8 𝜇𝐹/𝑘𝑚
𝑅 𝑠 =
2𝑅1 + 𝑅0
3
=
2∗1.365 +17.963
3
= 6.8976 Ω/𝑘𝑚
𝐿 𝑠 =
2𝐿1 + 𝐿0
3
=
2∗0.056 +0.149
3
= 0.08713 𝐻/𝑘𝑚
𝐶 𝑝 = 𝐶1 ; 𝐶 𝑝 = 18.5 𝜇𝐹/𝑘𝑚
𝐶𝑔 =
3𝐶1 𝐶0
𝐶1 −𝐶0
=
3∗18.5 𝜇∗11.8 𝜇
18.5 𝜇 − 11.8 𝜇
=48.87𝜇𝐹/𝑘𝑚
Simulación de líneas de transmisión real y
del módulo con parámetros distribuidos.
GRÁFICAS DE TENSIÓN Y CORRIENTE
Gráfica de corriente. Gráfica de tensión.
Simulación de líneas de transmisión real y
del módulo con parámetros distribuidos,
para verificar si el escalamiento es correcto.
Simulación de líneas de transmisión real
con parámetros distribuidos y del módulo
con valores del modelo pi que es el que se
va a manejar.
Gráfica de tensión Gráfica de corriente
Simulación de líneas de transmisión real con parámetros
distribuidos y del módulo con modelo de línea corta.
GRÁFICAS DE TENSIÓN Y CORRIENTE
La línea corta en color negro y en rojo las de parámetros
distribuidos, en donde se aprecia gran diferencia ya que la
línea corta no cuenta con capacitancias.
Gráfica de tensión Gráfica de corriente
DISEÑO DE LOS INDUCTORES
Para el diseño de los inductores se usaron
materiales magnéticamente “Blandos”,
como en éste caso Acero al Silicio.
Los materiales blandos tienen la ventaja
de que tienen una facilidad de
desmagnetización debido a que su ciclo
de histéresis se lo permite, ya que si se
tiene un área pequeña es posible evitar
la remanencia del material.
Ciclo de Histéresis
Originalmente
el Ap era para
un núcleo tipo
EI-145, pero
debido a que
comercialmente
no se encuentra
se realizó el
cálculo para un
EI-150.
Se eligieron núcleos tipos EI de aleación de
Acero al Silicio ya que son de los materiales
ferromagnéticos más comerciales, más
usados y fáciles de encontrar.
La aleación se compone de un 3% de Silicio y
97% de Hierro.
Permeabilidad Inicial 𝜇 = 1500
Densidad de Flujo Bs = 1.5 − 1.8 Teslas
Temperatura de 750
o
C
CÁLCULO
 P = VA 127(5) = 635 Watts.
 J = 163.58 A/cm2
 Ap =
𝑉𝐴 104
𝑘 𝑓 𝑘 𝑢 𝐵 𝑎𝑐 𝑓𝐽
, [cm4]
 𝑘 𝑓 = Factor de forma.
 𝑘 𝑢 = Factor de utilización de ventana.
 𝐵𝑎𝑐 = Densidad de flujo, T, tesla.
 𝑓 = Frecuencia, Hz.
 𝐽 = Densidad de corriente, amps/cm2.
 𝑀𝑃𝐿 = Longitud de trayectoria magnética
Ap =
635 104
4.44 0.4 60 1.5 163.58
= 242.83 cm4
NL =
𝑉𝑎𝑐 104
𝐾 𝑓 𝐵 𝑎𝑐 𝑓𝐴 𝑐
, [𝑉𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠]
NL =
127 104
4.4 1.5 60 14.52
= 220.8726382 [Vueltas]
Ig =
0.4𝜋 𝑁 𝐿
2(𝐴 𝑐)(10−8)
𝐿
−
𝑀𝑃𝐿
𝜇 𝑀
, [cm]
Ig =
0.4𝜋 220.8726382 2(14.52)(10−8)
0.0871
−
27.322.9
1500
= 0.0869 [cm]
Núcleo:
EI – 150
MPL – 22.9
G = 5.715
Ac = 14.52
𝐹𝐹(𝐹𝑟𝑎𝑛𝑗𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜) = 1 +
𝐼𝑔
√𝐴𝑐
𝑙𝑛
2(𝐺)
𝐼𝑔
= 1 +
0.096
√14.52
𝑙𝑛
2(5.715)
0.0869
= 𝟏. 𝟏𝟐𝟐𝟗
𝑁𝐿(𝑛𝑒𝑤) =
𝐿𝐼 𝑔
0.4 𝜋 𝐴 𝑐 (𝐹)(10−8)
, [Vueltas]
𝑁𝐿(𝑛𝑒𝑤) =
0.0871 0.0869
0.4 𝜋 14.52 (1.122924)(10−8)
= 192.2009 ≈ 192 Vueltas
𝐵𝑎𝑐 =
𝑉𝑎𝑐 104
𝑘 𝑓 𝑁(𝑛𝑒𝑤) 𝑓 𝐴 𝑐
, [𝑡𝑒𝑠𝑙𝑎]
𝐵𝑎𝑐 =
127 104
4.44 192.2009 60 14.52
= 1.708 𝑇𝑒𝑠𝑙𝑎
𝐴 𝑤𝑙 =
𝐼 𝑙
𝐽
, [cm2]
𝐴 𝑤𝑙 (𝐵) =
5
163..58
= 0.03 [cm2]
Material: Acero al Silicio
Núcleo : EI-150
Calibre : AWG #13
Amp: 6.9 A
#Vueltas: 192
Lg: 0.0869 cm
RESULTADOS DE
INDUCTORES DE
LÍNEA
RESULTADOS DE INDUCTORES
DE ACOPLAMIENTO
Material: Acero al Silicio
Núcleo : EI-112
Calibre : AWG #20
Amp: 1.36 A
#Vueltas: 360
Lg: .4908 cm
Los cálculos realizados coinciden con los arrojados con el programa del M.I. Miguel Ángel
Esparza Gurrola.
ARREGLOS DE CAPACITORES
4.9𝜇𝑓 + 4.9𝜇𝑓 = 9.8𝜇𝑓
25𝜇𝑓 + 25𝜇𝑓 = 50𝜇𝑓
EFECTOS PARÁSITOS EN LOS ELEMENTOS
Normalmente se estudian los componentes como si fuesen elementos ideales que soportan
potencias, corrientes y voltajes infinitos
A medida que se especializa el diseño, y se pretende sacar el máximo rendimiento a un circuito,
debemos tener en cuenta que los componentes reales no se comportan como componentes ideales,
tienen trabas en su funcionamiento que los alejan del comportamiento esperado. Por ejemplo, el
ejemplo más obvio y cercano es el caso de los componentes para filtros pasivos.
•Condensadores.
Los fenómenos parásitos de los condensadores son básicamente 4:
 ESR: (Resistencia equivalente serie.)
Limita el valor mínimo de impedancia obtenido. Es
bastante importante para filtrado, ya que una ESR
alta impedirá que la atenuación fuera de banda sea
la adecuada. Se modela como una resistencia en
serie con el condensador y limita la mínima
impedancia que es posible obtener.
 ESL (Inductancia equivalente serie.)
La inductancia parásita en serie implica
que a partir de una frecuencia el
condensador ya no se comporta como un
condensador sino como una bobina. Se
comporta como una bobina en serie con el
condensador.
 Absorción dieléctrica.
Es un fenómeno parásito de los aislantes, que produce el
llamado "efecto memoria". Si se prueba cargar un condensador
electrolítico a una tensión, y luego descargarlo cortocircuitando
sus terminales, se puede ver que su tensión es cero con los
terminales cortocircuitados. Pero luego al abrir el circuito se ve
rápidamente que su tensión sube hasta alrededor de +1V. Toda
la carga debería abandonar el condensador inmediatamente.
 Leackage: Goteo de corriente.
Es importante por las pérdidas que puede producir
en circuitos de bajo consumo, ya que supone el
auto descarga del condensador, y en circuitos que
requieran precisión en DC no deben usarse. Se
modela como una resistencia en paralelo con el
condensador.
MANUFACTURA DEL MÓDULO
MANUFACTURA DEL MÓDULO
PRUEBAS Y MEDICIONES A LAS BOBINAS
Pruebas realizadas al modelo π del módulo de línea
de transmisión.
ARMADO DEL MÓDULO
Evento #5 a 26/11/2015 09:14:30.766
A-BVrms Muy Bajo a Bajo
Diagrama de forma de onda/detalles
09:14:30.80
26/11/2015
Jueves
09:14:30.85 09:14:30.90 09:14:30.95 09:14:31.00
-300
-200
-100
0
100
200
300
Voltios
A-B V B-C V C-A V
-2
-1
0
1
2
Amperios
A I B I C I
Dran-View 6.14.00 HASP : 2015543206 (7822BFA6h)
Evento #5 a 26/11/2015 09:14:30.766
A-BVrms Muy Bajo a Bajo
Límite cruzado 22.0
09:14:30.80
26/11/2015
Jueves
09:14:30.85 09:14:30.90 09:14:30.95 09:14:31.00
-300
A-B V B-C V C-A V
-2
-1
0
1
2
Amperios
A I B I C I
BENEFICIO SOCIAL.
EL BENEFICIO SOCIAL SE MANIFIESTA EN LOS ESTUDIANTES QUE CURSAN LA ASIGNATURA DE SISTEMAS
DE POTENCIA, EN DONDE EL MÓDULO SIRVE DE APOYO PARA LA COMPRENSIÓN DE LAS LÍNEAS DE
TRANSMISIÓN, EL MÓDULO BENEFICIARA APROXIMADAMENTE A MÁS DE 100 ALUMNOS POR SEMESTRE.
BENEFICIO ECONÓMICO.
EL BENEFICIO ECONÓMICO EN EL MÓDULO DE LÍNEA DE TRASMISIÓN DE 400 KV, ES QUE CUENTA CON
TODOS LOS CÁLCULOS DE DISEÑO DE CADA UNO DE LOS ELEMENTOS QUE COMPONEN EL MODULO,
PERMITIENDO SU FLEXIBILIDAD SEGÚN LAS NECESIDADES DEL CLIENTE, CUBRIENDO ASÍ UN MERCADO
MÁS AMPLIO.
BENEFICIO AMBIENTAL
MEDIANTE EL USO DE ESTE MÓDULO SE PUEDE ESTUDIAR EL IMPACTO DE TENER MENOS PERDIDAS Y
APROVECHAR DE MEJOR MANERA LA ENERGÍA Y NO ABUSAR DE LOS RECURSOS ENERGÉTICOS.
NORMAS
• NOM- 001-SEDE-2012
• NRF-014
• NRF-015-CFE-2002
• NTDOID- CNEE No. 47-99
• NOM J-58, ASTM B-232
• Especificación E0000-22
BIBLIOGRAFÍA
• Grainger John J, Stevenson William D. Jr, “Análisis de Sistemas de Potencia”,
1ª Ed, Ed. McGraw-Hill, 2005
• Glover J. Duncan, Sarma Mulukutla S. “Sistemas de Potencia, Análisis y
Diseño”, 3ª Ed, Ed. Thomson, 2004
• Colonel Wm. T. McLyman, “Transformer and inductor design handbook”, 3ª
Ed , 2004
• Software Mathworks ®Matlab®/Simulink
• Software Mathworks ®Matlab®/SimPowerSystems/Power_lineparam
• Software SimPowerSystems / Model and simulate electrical power systems.
GRACIAS POR SU
ATENCIÓN

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Módulo de línea de transmisión de 400 Kv

  • 1. EQUIPO: IEA´S  Torres Canizalez Mauro  Cabrera López Víctor  Rivera Hernández Ulises Alfonso  Álvarez Villalón Iván
  • 2. OBJETIVO El módulo deberá tener las dimensiones adecuadas para ser utilizado en el estante que se encuentra en el laboratorio de sistemas de potencia. Se requiere de este módulo para una mejor comprensión de los temas referentes a líneas de transmisión que se abordan en las materias de sistemas de potencia. Diseñar y construir un módulo experimental de una línea de transmisión de 400 kV.
  • 4.
  • 5. JUSTIFICACIÓN Para algunos conceptos es más fácil su comprensión si estos son tangibles o si pueden ser observados físicamente y mediante el análisis de su comportamiento.
  • 6. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La línea de transmisión es el elemento que transporta la energía eléctrica desde la estación generadora hasta la carga. Se compone de tres o más conductores desnudos, pueden transportar la energía eléctrica a través de cientos de kilómetros. Por lo tanto, el reto será construir un módulo de dimensiones compactas que sea capaz de mantener los fenómenos que ocurren en una línea de transmisión como los parámetros concentrados y se consideraran parámetros constantes.
  • 7. TRANSFORMAR LA VOZ DEL CLIENTE 3.611% 18.333% 8.056% 10.278% 2.778% 15.278% 17.222% 11.111% 9.722% 3.611% VOLUMEN DIDÁCTICO COSTO ACCESIBLE RESISTENTE PESO DISTINTOS TIPOS DE LÍNEA DISTINTOS MODELOS DE LÍNEA SEGURIDAD PRECISIÓN ESTÉTICA Volumen Didáctico Costo accesible Resistente Peso Distintos tipos de línea Distintos modelos de línea Seguridad Precisión Estética Series1 3.611% 18.333% 8.056% 10.278% 2.778% 15.278% 17.222% 11.111% 9.722% 3.611% NECESIDADES DEL CLIENTE
  • 8. CASA DE LA CALIDAD
  • 10. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN PROPUESTA 1 Se consideró caja de acrílico para observar el interior del módulo y sus componentes.
  • 11. PROPUESTA 2 Se propuso estudiar la línea a diferentes distancias.
  • 12. PROPUESTA 3 Se propuso el estudio de modelo de línea corta y modelo π con desconexión usando relevadores.
  • 15. ELECCIÓN DE ALTERNATIVA SELECCIÓN DE PROPUESTA Acorde al análisis que se realizó a cada una de las propuestas de solución planteadas, se determinó que la propuesta de solución óptima por tiempo y recursos, que además cumple con lo especificado.
  • 16. COMPARATIVA Módulo de línea de transmisión. Modelo 8370. Módulo de línea de transmisión 150Km/300Km (93,2 millas/186,4 millas), No.: CO3301-3A Módulo de línea de transmisión. Modelo DL 7901TT. Labvolt $ 55,600.00 Lucas Nüll $433,582.56 De Lorenzo $ 49,750.00
  • 17. COMPARATIVA Dispositivos Cantidad Precio unitario Total Medidores de tensión y corriente 6 $360,00 $2100,00 Capacitores 4.7 µF 250 V 12 $17,00 $204,00 Capacitores 25 µF 250 V 4 $44,00 $176,00 Bobinas de 87.1 mH 3 $754,00 $2262,00 Resistencias de 7 Ω a 50 Watts 3 $140,00 $420,00 Lamina perforada 1 $500,00 $500,00 Baquelita 1 $500,00 $500,00 Bornes 8 $800,00 $800,00 Accesorios SC $178.50 $178.50 Grabado Laser 1 $90,00 $90,00 Total (MXN) $7230,50 Descripción Días $/Hr Hr/día Mano de obra 60 $77.00 8 $36960,00 Total $44190,50 IEA’s
  • 18.
  • 20. Tensión linea a linea (KV) Capacidad de transmisión (KVA) Corriente (A) 115 50000 251 138 72000 301 230 200000 502 345 450000 753 500 945000 1091 765 2200000 1660 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Corriente Voltaje Tensión contra corriente Tensión contra corriente Tensión línea a línea (kV) Capacidad de trasmisión (kVA) Corriente (A)
  • 21. Para obtener el valor de corriente deseado se utiliza la interpolación, tomando los 400 kV como dato inicial. 𝑌 = 𝑌𝑎 + (𝑋 − 𝑋 𝑎) (𝑌𝑏− 𝑌𝑎) (𝑋 𝑏 − 𝑋 𝑎) Sustituyendo valores: 𝐼 = 753 + (400𝐾 − 345𝐾) (1091 − 753) (500𝐾 − 345𝐾) 𝐼 = 872.94 𝐴 Para calcular el nivel de potencia utilizamos: 𝑆 = 3 𝑉 ∗ 𝐼 𝑆 = 3 400𝐾 (872.94) 𝑆 = 604.8 𝑀𝑉𝐴
  • 22. De la empresa Latincasa se obtienen los siguientes conductores que cumplen la especificación CFE E0000-18.
  • 23. • Lo tipos y calibres de conductores normalmente usados en las líneas de transmisión por la CFE son las siguientes: • Para 400 kV: ACSR 1113 KCM • Para 230 kV: ACSR 900 KCM, ACSR 795 KCM, ACSR KCM • Para 115 kV: ACSR 477 KCM, ACSR 795 KCM Se elige un cable BLUE JAY/AS ACSR/AS 1113 con las siguientes especificaciones: Diámetro de conductor = 3.18 cm T = 1.1925 cm 𝑅𝑀𝐺 = 1.26492 cm Resistencia eléctrica c.d. nominal = 0.050853 Ω/Km En las líneas de 400 KV se usan 2 conductores por fase con el objetivo de reducir la inductancia y el efecto corona. La distancia entre conductores para niveles de alta tensión se especifica de 2 a 6 pulgadas, por seguridad se recomienda una distancia de 45 cm.
  • 24. Tabla 1.4 Tabla 1.5 Distancias mínimas verticales de Conductores sobre vías férreas, suelo o agua. (CNEE No. 47-99). Distancias mínimas de seguridad entre conductores y cables soportados por Diferentes estructuras. (CNEE No. 47-99). .
  • 25. En base a la tabla 1.4 se calcula la distancia mínima vertical de seguridad sobre carreteras. 5.6 + 0.01 378 = 9.38 𝑚 El anterior incremento deberá aumentar en un 3% por cada 300m de altura de exceso de 1000msnm, teniendo en consideración que San Luis Potosí se encuentra a 1860msnm: 9.38 + 9.38 0.09 = 10.25 𝑚 Utilizando la tabla 1.5 se determina la distancia mínima de seguridad entre conductores. 0.6 + 0.01 378 = 4.38 𝑚 El anterior incremento deberá aumentar en un 3% por cada 300m de altura de exceso de 1000msnm. 4.38 + 4.38 0.09 = 4.8 𝑚
  • 26. CABLES DE GUARDA 𝐷 = 9.78 mm 𝑇 = 2.934 𝑚𝑚 𝑅𝑀𝐺 = 0.4 cm 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝐶. 𝐷. 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 = 1.463 Ω/𝐾𝑚 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 ℎ𝑖𝑙𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑔𝑢𝑎𝑟𝑑𝑎 𝑎 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 = 34.15 𝑚 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 ℎ𝑖𝑙𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑔𝑢𝑎𝑟𝑑𝑎 = 8.65 𝑚
  • 27. La elección de las distancias se tomó considerando la estructura de la figura No.1, que cumple con la NRF-014, en la cual se puede trabajar como caso real. 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑎 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 = 25 𝑚 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 = 10 𝑚 Las distancias de la estructura supera las calculadas anteriormente, cumpliendo con las normas especificadas. Figura No. 1
  • 28. Se utilizó la herramienta de Matlab® power_lineparam para el cálculo de los parámetros de la línea de transmisión.
  • 30. Se realizó el escalamiento de los valores obtenidos en el power_lineparam 𝑉𝐵𝐴𝑆𝐸 = 400 𝑘𝑉 220 𝑉 = 1818.181818 𝑝. 𝑢. 𝐼 𝐵𝐴𝑆𝐸 = 872.94 𝐴 5 𝐴 =174.588p. u. 𝑍 𝐵𝐴𝑆𝐸 = 𝑉 𝐵𝐴𝑆𝐸 𝐼 𝐵𝐴𝑆𝐸 𝑥 3 = 1818.181818 174.588 x 3 = 6.01 𝑝. 𝑢. 𝑍 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 = 𝑍 𝑅𝐸𝐴𝐿 𝑍 𝐵𝐴𝑆𝐸 R=300 KM x R Ω 𝐾𝑀 𝑋 𝐿 = 300 𝐾𝑀 𝑥 𝐿 𝐻 𝐾𝑀 𝑥 2𝜋𝑓 𝑋 𝐶 = (300 𝐾𝑀 𝑥 𝐶 𝐹 𝐾𝑀 𝑥 2𝜋𝑓)−1
  • 31.  Matriz R 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 = 6.86605657 5.57920133 5.44642263 5.57920133 6.96988353 5.57920133 5.44642263 5.57920133 6.86605657  Matriz XL 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 = 30.824271 12.4996371 10.0001989 12.4996371 30.6718433 12.4996371 10.0001989 12.4996371 30.824271  Matriz XC 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 = 149.177298 −780.436811 −2216.49933 −780.436811 144.306173 −780.436811 −2216.49933 −780.436811 149.177298 𝑅 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 = 𝑅 𝑅𝐸𝐴𝐿 𝑍 𝐵𝐴𝑆𝐸 XC 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 = 𝑋 𝐶 𝑅𝐸𝐴𝐿 𝑍 𝐵𝐴𝑆𝐸 XL 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 = 𝑋 𝐿 𝑅𝐸𝐴𝐿 𝑍 𝐵𝐴𝑆𝐸 Matrices de resistencia, reactancia inductiva y capacitiva.
  • 32. CICLO DE TRANSPOSICIÓN 𝑅 𝑇 = 𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3 3 𝐿 𝑇 = 𝐿1 + 𝐿2 + 𝐿3 3 𝐶 𝑇 = 𝐶1 + 𝐶2 + 𝐶3 3
  • 33. L 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 = 𝑋 𝐿 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 2𝜋𝑓 C 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 = 1 2𝜋𝑓𝑋 𝐶 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 MATRICES DE INDUCTANCIA Y CAPACITANCIA Matriz L 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 = 0.0871 0.0309 0.0309 0.0309 0.0871 0.0309 0.0309 0.0309 0.0871 Matriz C 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 = 1.629𝐸 − 05 −2.231E − 06 −2.231E − 06 −2.231E − 06 1.629𝐸 − 05 −2.231E − 06 −2.231E − 06 −2.231E − 06 1.629𝐸 − 05 Matriz R 𝑇 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 = 6.900665557 5.53494176 5.53494176 5.53494176 6.900665557 5.53494176 5.53494176 5.53494176 6.900665557
  • 34. IMPLEMENTACIÓN DEL MÓDULO BASADO EN EL MODELO π
  • 35. Los parámetros de la sección de línea de RLC se calculan como sigue: 𝑅1 = 1.365 Ω/𝑘𝑚 𝑅0 = 17.963 Ω/𝑘𝑚 𝐿1 = 0.056 H/km 𝐿0 = 0.149 H/km 𝐶1 = 18.5 𝜇𝐹/𝑘𝑚 𝐶0 = 11.8 𝜇𝐹/𝑘𝑚 𝑅 𝑠 = 2𝑅1 + 𝑅0 3 = 2∗1.365 +17.963 3 = 6.8976 Ω/𝑘𝑚 𝐿 𝑠 = 2𝐿1 + 𝐿0 3 = 2∗0.056 +0.149 3 = 0.08713 𝐻/𝑘𝑚 𝐶 𝑝 = 𝐶1 ; 𝐶 𝑝 = 18.5 𝜇𝐹/𝑘𝑚 𝐶𝑔 = 3𝐶1 𝐶0 𝐶1 −𝐶0 = 3∗18.5 𝜇∗11.8 𝜇 18.5 𝜇 − 11.8 𝜇 =48.87𝜇𝐹/𝑘𝑚
  • 36. Simulación de líneas de transmisión real y del módulo con parámetros distribuidos.
  • 37. GRÁFICAS DE TENSIÓN Y CORRIENTE Gráfica de corriente. Gráfica de tensión.
  • 38. Simulación de líneas de transmisión real y del módulo con parámetros distribuidos, para verificar si el escalamiento es correcto.
  • 39. Simulación de líneas de transmisión real con parámetros distribuidos y del módulo con valores del modelo pi que es el que se va a manejar. Gráfica de tensión Gráfica de corriente
  • 40. Simulación de líneas de transmisión real con parámetros distribuidos y del módulo con modelo de línea corta.
  • 41. GRÁFICAS DE TENSIÓN Y CORRIENTE La línea corta en color negro y en rojo las de parámetros distribuidos, en donde se aprecia gran diferencia ya que la línea corta no cuenta con capacitancias. Gráfica de tensión Gráfica de corriente
  • 42. DISEÑO DE LOS INDUCTORES Para el diseño de los inductores se usaron materiales magnéticamente “Blandos”, como en éste caso Acero al Silicio. Los materiales blandos tienen la ventaja de que tienen una facilidad de desmagnetización debido a que su ciclo de histéresis se lo permite, ya que si se tiene un área pequeña es posible evitar la remanencia del material. Ciclo de Histéresis Originalmente el Ap era para un núcleo tipo EI-145, pero debido a que comercialmente no se encuentra se realizó el cálculo para un EI-150.
  • 43. Se eligieron núcleos tipos EI de aleación de Acero al Silicio ya que son de los materiales ferromagnéticos más comerciales, más usados y fáciles de encontrar. La aleación se compone de un 3% de Silicio y 97% de Hierro. Permeabilidad Inicial 𝜇 = 1500 Densidad de Flujo Bs = 1.5 − 1.8 Teslas Temperatura de 750 o C
  • 44. CÁLCULO  P = VA 127(5) = 635 Watts.  J = 163.58 A/cm2  Ap = 𝑉𝐴 104 𝑘 𝑓 𝑘 𝑢 𝐵 𝑎𝑐 𝑓𝐽 , [cm4]  𝑘 𝑓 = Factor de forma.  𝑘 𝑢 = Factor de utilización de ventana.  𝐵𝑎𝑐 = Densidad de flujo, T, tesla.  𝑓 = Frecuencia, Hz.  𝐽 = Densidad de corriente, amps/cm2.  𝑀𝑃𝐿 = Longitud de trayectoria magnética
  • 45. Ap = 635 104 4.44 0.4 60 1.5 163.58 = 242.83 cm4 NL = 𝑉𝑎𝑐 104 𝐾 𝑓 𝐵 𝑎𝑐 𝑓𝐴 𝑐 , [𝑉𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠] NL = 127 104 4.4 1.5 60 14.52 = 220.8726382 [Vueltas] Ig = 0.4𝜋 𝑁 𝐿 2(𝐴 𝑐)(10−8) 𝐿 − 𝑀𝑃𝐿 𝜇 𝑀 , [cm] Ig = 0.4𝜋 220.8726382 2(14.52)(10−8) 0.0871 − 27.322.9 1500 = 0.0869 [cm] Núcleo: EI – 150 MPL – 22.9 G = 5.715 Ac = 14.52
  • 46. 𝐹𝐹(𝐹𝑟𝑎𝑛𝑗𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜) = 1 + 𝐼𝑔 √𝐴𝑐 𝑙𝑛 2(𝐺) 𝐼𝑔 = 1 + 0.096 √14.52 𝑙𝑛 2(5.715) 0.0869 = 𝟏. 𝟏𝟐𝟐𝟗 𝑁𝐿(𝑛𝑒𝑤) = 𝐿𝐼 𝑔 0.4 𝜋 𝐴 𝑐 (𝐹)(10−8) , [Vueltas] 𝑁𝐿(𝑛𝑒𝑤) = 0.0871 0.0869 0.4 𝜋 14.52 (1.122924)(10−8) = 192.2009 ≈ 192 Vueltas 𝐵𝑎𝑐 = 𝑉𝑎𝑐 104 𝑘 𝑓 𝑁(𝑛𝑒𝑤) 𝑓 𝐴 𝑐 , [𝑡𝑒𝑠𝑙𝑎] 𝐵𝑎𝑐 = 127 104 4.44 192.2009 60 14.52 = 1.708 𝑇𝑒𝑠𝑙𝑎 𝐴 𝑤𝑙 = 𝐼 𝑙 𝐽 , [cm2] 𝐴 𝑤𝑙 (𝐵) = 5 163..58 = 0.03 [cm2]
  • 47. Material: Acero al Silicio Núcleo : EI-150 Calibre : AWG #13 Amp: 6.9 A #Vueltas: 192 Lg: 0.0869 cm RESULTADOS DE INDUCTORES DE LÍNEA RESULTADOS DE INDUCTORES DE ACOPLAMIENTO Material: Acero al Silicio Núcleo : EI-112 Calibre : AWG #20 Amp: 1.36 A #Vueltas: 360 Lg: .4908 cm
  • 48. Los cálculos realizados coinciden con los arrojados con el programa del M.I. Miguel Ángel Esparza Gurrola.
  • 49. ARREGLOS DE CAPACITORES 4.9𝜇𝑓 + 4.9𝜇𝑓 = 9.8𝜇𝑓 25𝜇𝑓 + 25𝜇𝑓 = 50𝜇𝑓
  • 50. EFECTOS PARÁSITOS EN LOS ELEMENTOS Normalmente se estudian los componentes como si fuesen elementos ideales que soportan potencias, corrientes y voltajes infinitos A medida que se especializa el diseño, y se pretende sacar el máximo rendimiento a un circuito, debemos tener en cuenta que los componentes reales no se comportan como componentes ideales, tienen trabas en su funcionamiento que los alejan del comportamiento esperado. Por ejemplo, el ejemplo más obvio y cercano es el caso de los componentes para filtros pasivos. •Condensadores. Los fenómenos parásitos de los condensadores son básicamente 4:
  • 51.  ESR: (Resistencia equivalente serie.) Limita el valor mínimo de impedancia obtenido. Es bastante importante para filtrado, ya que una ESR alta impedirá que la atenuación fuera de banda sea la adecuada. Se modela como una resistencia en serie con el condensador y limita la mínima impedancia que es posible obtener.  ESL (Inductancia equivalente serie.) La inductancia parásita en serie implica que a partir de una frecuencia el condensador ya no se comporta como un condensador sino como una bobina. Se comporta como una bobina en serie con el condensador.  Absorción dieléctrica. Es un fenómeno parásito de los aislantes, que produce el llamado "efecto memoria". Si se prueba cargar un condensador electrolítico a una tensión, y luego descargarlo cortocircuitando sus terminales, se puede ver que su tensión es cero con los terminales cortocircuitados. Pero luego al abrir el circuito se ve rápidamente que su tensión sube hasta alrededor de +1V. Toda la carga debería abandonar el condensador inmediatamente.  Leackage: Goteo de corriente. Es importante por las pérdidas que puede producir en circuitos de bajo consumo, ya que supone el auto descarga del condensador, y en circuitos que requieran precisión en DC no deben usarse. Se modela como una resistencia en paralelo con el condensador.
  • 54. PRUEBAS Y MEDICIONES A LAS BOBINAS
  • 55. Pruebas realizadas al modelo π del módulo de línea de transmisión.
  • 57.
  • 58.
  • 59. Evento #5 a 26/11/2015 09:14:30.766 A-BVrms Muy Bajo a Bajo Diagrama de forma de onda/detalles 09:14:30.80 26/11/2015 Jueves 09:14:30.85 09:14:30.90 09:14:30.95 09:14:31.00 -300 -200 -100 0 100 200 300 Voltios A-B V B-C V C-A V -2 -1 0 1 2 Amperios A I B I C I Dran-View 6.14.00 HASP : 2015543206 (7822BFA6h)
  • 60. Evento #5 a 26/11/2015 09:14:30.766 A-BVrms Muy Bajo a Bajo Límite cruzado 22.0 09:14:30.80 26/11/2015 Jueves 09:14:30.85 09:14:30.90 09:14:30.95 09:14:31.00 -300 A-B V B-C V C-A V -2 -1 0 1 2 Amperios A I B I C I
  • 61.
  • 62. BENEFICIO SOCIAL. EL BENEFICIO SOCIAL SE MANIFIESTA EN LOS ESTUDIANTES QUE CURSAN LA ASIGNATURA DE SISTEMAS DE POTENCIA, EN DONDE EL MÓDULO SIRVE DE APOYO PARA LA COMPRENSIÓN DE LAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN, EL MÓDULO BENEFICIARA APROXIMADAMENTE A MÁS DE 100 ALUMNOS POR SEMESTRE. BENEFICIO ECONÓMICO. EL BENEFICIO ECONÓMICO EN EL MÓDULO DE LÍNEA DE TRASMISIÓN DE 400 KV, ES QUE CUENTA CON TODOS LOS CÁLCULOS DE DISEÑO DE CADA UNO DE LOS ELEMENTOS QUE COMPONEN EL MODULO, PERMITIENDO SU FLEXIBILIDAD SEGÚN LAS NECESIDADES DEL CLIENTE, CUBRIENDO ASÍ UN MERCADO MÁS AMPLIO. BENEFICIO AMBIENTAL MEDIANTE EL USO DE ESTE MÓDULO SE PUEDE ESTUDIAR EL IMPACTO DE TENER MENOS PERDIDAS Y APROVECHAR DE MEJOR MANERA LA ENERGÍA Y NO ABUSAR DE LOS RECURSOS ENERGÉTICOS.
  • 63. NORMAS • NOM- 001-SEDE-2012 • NRF-014 • NRF-015-CFE-2002 • NTDOID- CNEE No. 47-99 • NOM J-58, ASTM B-232 • Especificación E0000-22
  • 64. BIBLIOGRAFÍA • Grainger John J, Stevenson William D. Jr, “Análisis de Sistemas de Potencia”, 1ª Ed, Ed. McGraw-Hill, 2005 • Glover J. Duncan, Sarma Mulukutla S. “Sistemas de Potencia, Análisis y Diseño”, 3ª Ed, Ed. Thomson, 2004 • Colonel Wm. T. McLyman, “Transformer and inductor design handbook”, 3ª Ed , 2004 • Software Mathworks ®Matlab®/Simulink • Software Mathworks ®Matlab®/SimPowerSystems/Power_lineparam • Software SimPowerSystems / Model and simulate electrical power systems.