CAPITULO 1

INTRODUCCION.- ELEMENTOS DE LAS LINEAS DE TRANSMISION

1.1 INTRODUCCION

Para cada transmisión de energía eléctrica entre dos puntos, existen numerosas soluciones técnicamente viables, sin embargo, apenas un número relativamente pequeño es capaz de asegurar un servicio técnicamente óptimo y además a un costo mínimo. Bajo el punto de vista económico, la solución más adecuada es aquella en que la suma de los costos de las pérdidas de energía durante la vida útil de línea, mas el costo de inversión, sea mínima. El trabajo del proyecto mecánico se inicia una vez concluidos los estudios de optimización, después de la definición del nivel de tensión, tipos de estructuras, composiciones de los cables conductores y los cables de guardia , composición de las cadenas de aisladores, etc. El proyecto definitivo obedecerá, entonces, a los parámetros así determinados.

Las líneas aéreas de transmisión de energía eléctrica constan fundamentalmente de dos partes. Una parte “Activa”, representada por los cables conductores que según la teoría electromagnética, sirven de guías a los campos eléctrico y magnético que son los agentes del transporte de energía. Otra parte “Pasiva”, constituida por los aisladores, los herrajes y estructuras, que aseguran las distancias de conductores al suelo y entre si. Ademas las líneas poseen, elementos accesorios, dentro los cuales debemos mencionar los cables de guardia o aterramientos destinados a interceptar y descargar a tierra, las ondas de sobre tensión de origen atmosférico que de otra forma, afectarian a los conductores, provocando fallas en los aislamientos , consecuentemente. la interrupción del servicio.

El proyecto mecánico de una línea aérea de transmision cuida, pues, no solo el dimensionamiento de todos sus elementos, de forma de asegurar su buen funcionamiento considerando las solicitudes de naturaleza mecánica a las que son sometidas, sino también de su adecuacion al terreno que atraviesa.

Cada línea debe ser tratada como un caso particular. Las normas especifican las

máximas solicitudes admisibles de los elementos de las líneas, y de los factores mínimos de seguridad. Como, también. indican cuales son los esfuerzos solicitados que deben ser considerados en el proyecto y la manera de calcularlos. Igualmente son especificadas las distancias mínimas entre conductores y entre estructuras y tierra.

Siendo los cables conductores los elementos activos de transporte de energia y

que son sometidas a tensiones elevadas, todos los demas elementos de transmisión deben ser dimensionados en funcion de esas tensiones, como tambien en funcion de las solicitudes mecanicas que estas transmiten a las estructuras.

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1.2 CONFIGURACION DE UNA LINEA TRANSMISION Una línea de transmisión esta compuesta principalmente de las siguientes partes: 1.- Conductores de fase y accesorios. 2.- Estructuras aislantes. 3.- Estructuras de soporte. 4.- Fundaciones. 5.- Hilos de guardia o pararrayos. 6.- Aterramientos. 7.- Accesorios.

Fig.1.1 Principales Elementos de una Línea de Transmisión 1.2.1.- Cables Conductores en Líneas de Transmisión A través de los cables conductores se realiza el proceso de transmisión de energía eléctrica en una línea de transmisión. Un cable conductor ideal debería tener alta conductividad eléctrica, poseer buena resistencia mecánica, resistir bien las intemperies, tener bajo peso específico y costos no elevados.

Dentro de los materiales que mejor complementan estas características se destacan el aluminio y el cobre, cuyas propiedades principales son mostradas en la Tabla 1.1.

Cable de Guardia

Conductores

Aisladores

Estructuras

Fundaciones

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TABLA 1.1. CARACTERÍSTICAS ALUMINIO COBRE - Conductividad a 20ºC 61% IACS 97% IACS - Resistividad en microhm/cm a 20 º 2,828 1,7774 - Coeficiente térmico de resistividad, 0,0115 0,00681

en microhm/cm por ºC. - Coeficiente térmico de expansión lineal 0,000023 0,000017 por ºC. - Densidad a 20 ºC en gr/cm2 2,703 8,89 - Carga de ruptura en kg/mm2 16 – 21 35 – 47 - Modulo de elasticidad final kg/mm2 7.000 12.000 IACS- Referente al cobre químicamente puro, padrón internacional, conductividad

de 100% medido a 20 ºC. Abreviatura del termino Ingles “internacional Annealed Copper Standard”.

En las líneas de transmisión aéreas son utilizados cables conductores obtenidos por el acordonamiento de hilos,puesto que un conductor sólido, debido a las vibraciones, producirá fatiga mecánica y consecuentemente fracturará en el punto de conexión a la cadena de aisladores. Estos cables acordonados, compuesto de hilos del mismo diámetro, obedecen a la misma ley de formación: N=3n (n + 1) + 1 Donde: N = número total de hilos componentes n= número de camadas De este modo, un cable conductor con dos camadas, por ejemplo, tendrá 6 X 3 + 1 = 19 hilos. Si el diámetro por cada hilo es “d”, el diámetro del cable conductor será: D = (2n + 1) d Las camadas adyacentes son estiradas en direcciones opuestas resultando en una adherencia completa de las camadas una sobre las otras. Normalmente los cables conductores empleados en líneas de transmisión poseen hilos de aluminio dispuestos en camadas, con o sin alma de acero.

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En el primer caso, tenemos el cable de aluminio reforzado por un núcleo, o alma, de acero ( ACSR, “aluminio conductor steel reinforced” o CAA, cable de aluminio con alma de acero); en el segundo caso el cable posee solamente hilos de aluminio agrupados, constituyéndose en cable tipo CA, cables de aluminio. Una camada de hilos conductores acordonados de forma helicoidal constituye, en esencia, un largo solenoide. Como ejemplo, el cable CAA HAWK (Halcón) comprende el cable con área de aluminio de 477 MCM, 26 hilos de aluminio en 2 camadas de 7 hilos de acero. El cable CA Código VIOLET comprende el cable con área de 715,5 MCM, 37 hilos y 3 camadas de aluminio sobre el conductor central. En líneas de transmisión a partir de 220 KV, se emplean haz de conductores por fase, procurando mejorar las características técnicas de la misma. 1.2.2.- Aisladores Los cables conductores son empalmados a las estructuras de transmisión por el empleo de aisladores, cuya función consiste en aislar eléctricamente los conductores energizados en las líneas de transmisión y resistir las solicitaciones mecánicas y eléctricas oriundas de los conductores. Las solicitaciones mecánicas impuestas a los aisladores son de tres tipos:

Fuerzas Verticales, debido al peso propio de los conductores. Fuerzas Horizontales Axiales, oriundas de la suspensión de los conductores sobre

el suelo, en el sentido horizontal de la línea. Fuerzas Horizontales Transversales, en el sentido perpendicular a los ejes

longitudinales de las líneas, debido a la acción del viento sobre los cables. Un aislador debe aun ser resistente a las variaciones y poluciones ambientales, soportar los choques térmicos, minimizar el número de reposición a lo largo del tiempo.. La porcelana vitrificada, o vidrio templado y resinas sintéticas son materiales normalmente empleados en la fabricación de aisladores. Básicamente son usados dos tipos de aisladores en líneas de transmisión.

a) Aisladores Tipo Pin, Mono Cuerpo o Multi Cuerpo.- Fijados a la estructura a través de un pin de acero, cuya parte superior posee una cabeza de plomo fileteada, sobre la cual se aperna el aislador. Son normalmente usados hasta tensiones de 69 KV.

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b) Aisladores Tipo Suspensión.- Son usados para tensiones encima de 69KV, Fig. 1.3.

Las características fundamentales que deben tener los aisladores de suspensión son las siguientes:

Resistencia electromecánica; Carga máxima de trabajo; Resistencia al impacto; Resistencia a los choques térmicos;

Generalmente son usados en líneas de alta tensión y extra alta tensión, los aisladores tipo suspensión poseen las siguientes variantes sobre los aisladores de pino:

El costo inicial de la cadena de suspensión es mas bajo que el aislador de pin

equivalente. También los costos de substitución son menores, visto que las unidades con

defecto pueden ser cambiadas sin sustituir toda la cadena. Es mas fácil fabricar dieléctricos homogéneos, para los aisladores del tipo

suspensión que para el tipo pin. La flexibilidad de las cadenas de suspensión reduce las tensiones mecánicas y

ecualiza las tensiones en los conductores adyacentes a los vanos. La misma cadena de suspensión puede ser usada para soportar líneas de

cualquier tensión, variando el número de aisladores en la cadena. Los aisladores usados en líneas de transmisión, deben ser verificados mediante los Test siguientes:

FIG. 1.2

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* Test Mecánico

Una unidad en suspensión es sometida a una tensión mecánica del orden e 1.2 veces la máxima carga de trabajo y un aislador de pin a un momento flector cerca de 2.5 la carga máxima de trabajo.

* Test de Temperatura

El aislador es inmerso alternativamente en baños de agua a 7 ºC y 70ºC durante una hora.

* Test de Porosidad

El aislador es pesado, inmerso en agua sobre presión por 24 horas y entonces repesado. Cualquier alteración del peso indica ingreso de agua en el aislador.

La Fig. 1.3 muestra un aislador Tipo Disco, pieza componente de una cadena de suspensión. En ella están mostradas las partes constituyentes del aislador: Concha, campanilla, cuerpo del aislador y conexión bola. Introduciendo el conexión bola de un aislador en la concha del siguiente, puede ser construida. una cadena de aisladores con la longitud necesaria para una determinada tensión. Diámetro de 10 a 11 pulgadas son usadas en cadenas de aisladores en suspensión.

FIG. 1.3

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1.2.3. Ferreteria de Línea La ferretería esta constituida por las piezas que deben soportar los cables y conectarlos a las cadenas de aisladores. La grampa de suspensión es un dispositivo que recibe al cable conductor o conecta a la cadena de suspensión, protegiendo los filamentos conductores de daños permitiendo la flexión natural de la pieza inferior de su canal. Es normalmente una pieza multiarticulada, permitiendo el movimiento en cualquier dirección en que este sujeto el conductor. Una grampa de suspensión junto con su respectiva cadena, para 230 KV, se muestra en la figura 1.4, donde se percibe el gancho platillo-tenedor (concha-garfo) entre la cadena y el alambre.

FIG. 1.4

Cabalote

Ojal-Bola

Aislador

Socket-Horquilla

Grampa de Suspensión

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Las cadenas de anclaje, mas allá de los esfuerzos normales que deben soportar las cadenas de suspensión, están dimensionadas para recibir los esfuerzos originados por los traccionamientos de los cables conductores. Normalmente están constituidas de una columna simple de aisladores o de diversas columnas en paralelo.

La figura 1.5 muestra una cadena de anclaje y el pasaje del conductor, para el nivel de tensión de 230kv, con las diversas piezas constituyentes del equipo. Todavía cabe mencionar los “Espaciadores”, dispositivos usados en líneas de transmisión que poseen más de un conductor por fase, impidiendo de esa forma que los mismos se toquen, procurando evitar daños en los conductores, como el tipo mostrado en la figura 1.6.

FIG. 1.5

FIG. 1.6

Socket-Horquilla

Grampa de Suspensión

Aislador

Socket-Horquilla

Cuello Muerto

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Amortiguadores de Vibraciones.

Las líneas aéreas producen vibraciones debido a la presencia del viento. A objeto de proteger a los conductores contra tales vibraciones, se emplean amortiguadores las cuales impiden las vibraciones que antingen a los conductores y grampas de los soportes. Un ejemplo de este amortiguador es el de tipo “Stockbridge”, figura 1.7 que consiste de dos pesos unidos a los conductores a través de soportes flexibles, permitiéndoles captar la energía de las vibraciones de los cables; teniendo una frecuencia natural diversa, vibran en frecuencia diferente, disipando la energía por friccion en las manijas flexibles. El uso de espaciadores a cada 50- 60 metros reduce la amplitud, para haces de dos conductores; a pequeños valores, aun así puede ser necesario el uso de amortiguadores. Para haces de tres o cuatro conductores por fase, por otro lado, se puede tornar innecesario el uso de estos amortiguadores.

FIG. 1.7

ConductorPeso

Conexión

Grampa

Tuerca

Arandela de Presión

Perno

Contratuerca

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1.2.4 Estructuras de Apoyo Las estructuras de transmisión tienen por objetivo sustentar los cables conductores y elementos asociados, como aisladores, ferreterías y cables para-rayos. Pudiendo ser encarada como una viga vertical enterrada en el suelo. Una torre de transmisión fija sujeta los siguientes esfuerzos.

a) Cargas Verticales Son derivados de los componentes verticales de fraccionamiento de cables, peso propio y peso de accesorios de fijación de cables.

b) Cargas Horizontales Transversales Derivados de acción de viento sobre los cables, debido a esfuerzos de jalado de los conductores. Componentes transversales de los esfuerzos de traccionamiento de los cables.

c) Cargas Horizontales Longitudinales Aparecen debido a la acción del viento en dirección de la línea, de los componentes horizontales y longitudinales de los cables de traccionamiento. Resulta de estos tipos de esfuerzo, que las estructuras de transmisión pueden ser clasificados en dos tipos: -Estructuras Auto-soportadas -Estructuras Atirantadas. En el primer caso la torre transmite todos los esfuerzos directamente para sus fundaciones, lo que no sucede como las Torres Atirantadas. En estas últimas la estructura, parte de los esfuerzos es absorbido para la tirantes (riendas) y otra parte por las fundaciones, los cables conductores pueden ser colocados en estructuras según la disposición triangular, horizontal y vertical, siendo esta ultima usada en líneas de circuito doble, figura 1.8 y 1.9, con este ultimo se muestra las partes principales de una torre Auto-soportada.

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FIG. 1.8 Disposición Triangular

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FIG. 1.9

Puntina

Cuerpo

Cuerpo

Patas Patas

Grilla

Nivel Suelo

Fundación

Brazos

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MATERIAL Normalmente las torres de transmisión son fabricadas de acero, principalmente encima de 230Kv. Para tensiones mas bajas la madera y el concreto son los más utilizados. El concreto es tratado por un proceso de centrifugado resultando estructuras armadas y huecas facilitando el transporte y la instalación. Tiene la ventaja de poder utilizar mano de obra local, como montaje relativamente simple y rápido. Las estructuras de maderas usadas se derivan de algunas especies de eucalipto y deben ser tratadas como creosota de forma que puedan resistir la intemperie y ataques de microorganismos. Dependiendo la eficacia de este tratamiento, se puede tener una vida útil de línea bastante larga. Los cables de guardia generalmente son de Acero Galvanizado y tienen la función de proteger a los conductores de fase contra las descargas atmosféricas. Su diámetro varia de 3/8 a ½ pulgadas y estan rigidamente aterradas a la estructura. 1.2.5 Fundaciones para Estructuras

Básicamente existen cinco tipos de fundaciones: a) grilla de acero; b) zapata de concreto; c) bloques de concreto; d) anclaje en roca, y e) pilotes o estacas. Una descripción de cada tipo de fundación, conjuntamente con las condiciones que establecen su proyecto, uso, ventajas y desventajas, es hecha a continuación.

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a) Fundaciones en Grillas de Acero Hay varios tipos de fundaciones en grillas de acero, mas dos son las más comunes: el de tipo “miembro edificado”, teniendo la misma inclinación que el montante de la torre y unida al sistema de grilla de bastante profundidad debajo del nivel del suelo. (Fig. 1.10).

Figura 1.10 Fundación en grilla de acero con pernos ajustables para varias profundidades.

El segundo tipo es el “piramidal”, cuyo centróide de la base esta unido a la “pata” (montante) de la torre, al nivel del suelo, por una línea imaginaria teniendo la misma inclinación que el montante de la torre. La resistencia al arrancamiento de ambos tipos depende directamente del peso de tierra colocada sobre la grilla y del ángulo de inclinación del terreno. Las cargas horizontales son causadas por las componentes horizontales de la última diagonal encima de la base, y son soportadas por la resistencia pasiva del suelo. La ventaja de este tipo de fundaciones es que ella puede ser adquirida junto con la torre de acero. La desventaja es que esas fundaciones normalmente pueden ser proyectadas antes de cualquier estudio de suelos, y pudiendo sufrir modificaciones por una mezcla pobre

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de cemento sobre la grilla si las condiciones de suelo no fueron tomadas en cuenta en el proyecto original.

b) Fundación en Zapata de Concreto Existen varios tipos de zapatas de concreto que pueden ser proyectadas, siendo los dos más comunes las zapatas con pilares inclinados (Fig. 1.11) y las con pilares verticales.

Figura 1.11 Fundación en Zapata de Concreto.

En el uso, del tipo pilar inclinado, el centróide de la base está sobre una línea con

el montante de la pata de la torre. Como en el caso de las fundaciones en grillas, eso elimina más el cizallamiento horizontal en la cima del montante, reduciendo la sobrecarga del momento adicional causado solamente por la componente horizontal de la tensión en la diagonal mas baja sobre el tope del pilar.

Generalmente este tipo de fundación puede ser menor que el tipo pilar vertical, a causa de la reducción del momento sobre la fundación. Sin embargo una desventaja esta en el hecho de que ese tipo de fundación es en general colocado con el uso de un gabarito o plantilla, que vuelve al sistema más caro.

La zapata de tipo vertical es común y puede ser instalada con o sin plantilla. Los tamaños de la zapata y de los pilares son generalmente mayores que en la inclinada, debido al momento adicional causado por un cambio en la inclinación de la pierna de la torre.

Ambos tipos de fundación son proyectados para resistir el arrancamiento, de la misma manera que las grillas. Ambas pueden ser usados donde la presión máxima

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admisible del suelo es menor que la necesaria que permita la viabilidad del proyecto de fundaciones en grillas.

c) Fundación en Bloques de Concreto Este tipo de fundación puede ser inclinado o vertical, con o sin una base expandida. En general ella es una columna de un diámetro especial con una expansión en la base si es necesario (Fig. 1.12).

Figura 1.12 Fundación en Bloques de Concreto. Este tipo de fundación es aceptable para terrenos arcillosos y para materiales granulares, densos, que pueden conformar bloques. Los tipos con o sin expansión resisten al arrancamiento de la misma manera que las grillas, esto es, el peso del suelo sobre la base y la fricción del suelo contra el concreto resisten al arrancamiento.

La mayor ventaja de este tipo de fundación es el hecho de que ella necesita un volumen menor, y de una excavación menor que las otras.

d) Anclaje en Rocas

Esta fundación es usada en rocas de buena calidad, usualmente encontradas en las proximidades de la superficie del suelo. En general se necesita de pequeñas excavaciones y poco relleno (Fig. 1.13).

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Figura 1.13 Anclaje en Piedras, Ajustable.

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e) Fundación en Pilotes (Estacas) Este tipo de fundación debe se considerado solamente cuando una buena muestra de tierra, que servirá de apoyo, no aparece a una profundidad normal para la fundación. Un ejemplo es presentado en la Fig. 1.14.

Figura 1.14 Fundación con Pilotes.

En el proyecto de las fundaciones en pilotes, es común considerar como carga admisible de arrancamiento la mitad del valor real. La resistencia al arrancamiento es siempre dependiente de la fricción de deslizamiento entre las estacas y el suelo. Otros valores podrán ser usados si las pruebas de suelo o las pruebas de cargas en estacas indicaran que la resistencia al arrancamiento de la estaca es mayor o menor.