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CONDUCTORES DE TRANSMISIN DE ENERGA ELCTRICA UNA REVISIN AL DISEO Y AL CRITERIO DE SELECCIN.-(Primera Parte) (Transmission Conductors - A Review of the Design and Selection Criteria)- Traduccin de la Nota Completa Fuente: http://www.southwire.com/support/TransmissionConductoraReviewOfTheDesignandSelectionCriteria.htm

F. Ridley Thrash, Jr. Chief Engineer, Overhead Conductors Wire & Cable Technology Group Southwire Company

Introduccin:

Cambios notables se han producido en la industria de servicios pblicos desde que Thomas Edison

comenz la venta comercial de la electricidad hace ms de 100 aos. Una de las reas que ha sido

objeto de extensos cambios ha sido el rea de los tipos de conductores disponibles para transmitir y

distribuir electricidad. El cobre fue el primer metal utilizado para transmitir electricidad durante el

desarrollo de la industria elctrica en la dcada de 1880. Una revisin de los criterios de seleccin de

conductores de transmisin y distribucin, prioriz una amplia utilizacin del ALUMINIO, los sugestivos

tamaos de conductores de cobre estaban siendo utilizados principalmente en base a consideraciones

mecnicas, debido a la desproporcionada alta conductividad del cobre, con base en la relacin

resistencia-peso. Los conductores eran, por lo tanto, generalmente ms grandes de lo necesario desde

el punto de vista de la conductividad elctrica eficiente. Debido al peso, las longitudes de los Vanos eran

cortas, aumentando as el coste global de la lnea de transmisin.

Poco antes del cambio de siglo, el aluminio comenz a sustituir el cobre como el metal de eleccin para

los conductores de transmisin y distribucin. La primera lnea de transmisin utilizando conductores de

aluminio se construy en California en 1895, rpidamente seguido por una segunda lnea en 1898. La

primera lnea de transmisin que utiliz un cable (7-Hilos) trenzado de aluminio fue construido por el

Connecticut Light Electric Company en 1899 y permaneci en operacin diaria durante ms de 50 aos.

A partir de estas primeras instalaciones, el uso de conductores elctricos de aluminio ha aumentado

constantemente hasta que se convirti en el material de eleccin para lneas de transmisin de los

ingenieros de diseo hasta hoy Da. Durante ms de 90 aos de aluminio ha sido utilizado por las

empresas elctricas para la transmisin y distribucin de energa elctrica. A pesar de que casi

reemplaza completamente al Cobre para usos en LINEAS AREAS, De todos los metales NO-preciosos

conocidos, el aluminio ocupa el segundo lugar, despus del cobre, en cuanto al parmetro de la

conductividad. El aluminio posee una relacin de conductividad-peso dos veces superior a la del cobre y

su relacin Esfuerzo de rotura-peso es 30% mayor que el cobre.

Cuando el conductor de aluminio entr en uso relativamente amplio, en los inicios del 1900, la

experiencia indicaba que se necesitaba de un conductor con una mayor relacin resistencia a la rotura-

peso. As, en 1907 se introdujo un nuevo cable compuesto de aluminio-acero. Este nuevo conductor

combina el peso ligero y alta capacidad de corriente de aluminio con la alta resistencia de un ncleo de

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acero galvanizado. ACSR, conocido como conductor de aluminio, reforzado con acero, lleg a ser

conocido, gan una rpida aceptacin y fue utilizado casi exclusivamente en todo el mundo hasta 1939.

La excelente conductividad del ACSR, junto con su excelente relacin resistencia de rotura-peso y

facilidad de manejo; lo hizo el conductor dominante para la electrificacin rural en los Estados Unidos

que se inici durante los aos 1920.

En 1939 se introdujo un nuevo cable de aleacin de aluminio-magnesio-silicio. El nuevo cable de

aleacin de aluminio (AAAC) fue desarrollado para retener las propiedades mecnicas y elctricas de

ACSR al tiempo que mejora las caractersticas de peso y resistencia a la corrosin. La introduccin del

cable de aleacin de aluminio y el posterior desarrollo del conductor de aluminio compuesto, el cable

reforzado de aleacin de aluminio, introdujo nuevas alternativas a la utilizacin del ACSR. Como con la

mayora de los nuevos productos, particularmente en aplicaciones tan crticas como la transmisin

elctrica y distribucin, la aceptacin del nuevo conductor de aleacin fue lenta. En los ltimos aos, sin

embargo, las reconocidas mejoras elctricas de los conductores de aleacin sobre el ACSR, ha

conducido a una tendencia creciente del uso de la aleacin de aluminio y cables de aleacin de aluminio

y aluminio compuesto.

Ms recientemente, muchos diseos innovadores de conductores se han desarrollado para hacer frente

a las necesidades cambiantes de la industria de servicios elctricos. Nuevas aleaciones se han

desarrollado para proporcionar estabilidad trmica, aumento de la conductividad, resistencia a la

vibracin y otras caractersticas especficas. Con cada cambio hay un compromiso. Con cada

compromiso hay una nueva oportunidad de diseo.

El Diseo del conductor y / o la seleccin de lneas de transmisin y distribucin, se ha convertido en

una ciencia. La seleccin del tipo de conductor y el tamao ptimo para un diseo de lnea de

transmisin o distribucin dada, requiere una comprensin completa de las caractersticas de todos los

tipos de conductores disponibles. Este entendimiento debe abarcar ms que la capacidad de transporte

de corriente o el rendimiento trmico de un conductor. Se debe incluir un sistema de enfoque, para la

seleccin del conductor: la estabilidad de la lnea frente a la capacidad de carga de corriente; operacin

econmica en comparacin con la carga trmica; fluencia del conductor y comportamiento resultante a

altas temperaturas y cargas mecnicas adversas, Esfuerzo del conductor determinado por el

rendimiento de tensin-deformacin y las caractersticas de fatiga del metal son slo algunos de los

parmetros de diseo del sistema a evaluar.

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Tipos de Conductores:

No existe un proceso nico por el cual todas las lneas de transmisin y / o distribucin estn diseados.

Est claro, sin embargo, que todos los principales componentes de los costos de diseo de la lnea,

dependen de los parmetros elctricos y mecnicos de los conductores.

Hay cuatro tipos principales de conductores areos utilizados para la transmisin y distribucin

elctrica.

AAC All Aluminium Conductor (Conductor Todo Aluminio)

AAAC All Aluminium Alloy Conductor (Conductor Todo aleacin de aluminio)

ACSR Aluminium Conductor Steel Reinforced (Conductor de Aluminio reforzado con acero)

ACAR Aluminium Conductor Alloy Reinforced (Conductor de Aluminio reforzado con aleacin de

aluminio)

Las diversas combinaciones y modificaciones de estos tipos de conductores proporcionan una amplia

variedad de diseos posibles de los conductores.

AAC - Conductor Todo Aluminio, conocido como ASC, conductor trenzado de aluminio, se compone de

una o ms hebras de la aleacin 1.350 de aluminio, con la grfica de templado H19. La aleacin 1.350

de aluminio, anteriormente conocido como grado de la CE o de aluminio de grado elctrico, tiene una

conductividad mnima de 61,2% IACS1. Debido a su relacin relativamente pobre resistencia-peso, AAC

ha tenido un uso limitado en lneas de transmisin y distribucin rural debido a los largos VANOS

utilizados. Sin embargo, AAC ha visto un amplio uso en reas urbanas donde los vanos son

generalmente cortos, pero se requiere una alta conductividad. La excelente resistencia a la corrosin del

aluminio ha hecho AAC un conductor de eleccin en las zonas costeras.

1 % IACS- Medida de Conductividad elctrica

La conductividad elctrica es una medida de lo bien que un material se acomoda al movimiento de cargas elctricas. Es la relacin de la densidad de corriente a la intensidad de campo elctrico. Su unidad derivada del SI es el Siemens por metro, pero los valores de conductividad a menudo se EXPRESAN como porcentaje de IACS.

IACS es un acrnimo de International Annealed Copper Standard (Valor Internacional estndar del cobre recocido), que fue establecido por la Comisin Internacional de Electroqumica en 1913. La conductividad del cobre recocido (5,8001 x 107S / m) se define como 100% IACS a 20 C. Todos los dems valores de conductividad

se relacionan de nuevo a esta conductividad del cobre recocido. Por lo tanto, el hierro con un valor de

conductividad de 1,04 x 107 S / m, tiene una conductividad de aproximadamente 18% de la de cobre recocido y

esto se indica como 18% IACS. Una nota interesante es que los productos de cobre comercialmente puros, ya a menudo tienen valores de conductividad IACS superior a 100% IACS, porque las tcnicas de procesamiento han mejorado desde la adopcin de la norma en 1913 y actualmente, ms impurezas pueden ser removidas del metal.

Los valores de conductividad en Siemens / metro pueden ser convertidos a% IACS multiplicando el valor de la conductividad por 1,7241 x10-6. Cuando se presentan valores de conductividad en microSiemens / cm, el valor de conductividad se multiplica por 172,41 para convertir al valor IACS%.

Fuente: https://www.nde-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Materials/Physical_Chemical/Electrical.htm

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ACSR - Conductor Aluminio con acero reforzado, un estndar de la industria de servicios elctricos

desde principios del 1900, se compone de un ncleo de acero slido o trenzado rodeado de una o ms

capas de hilos de aluminio 1350. Histricamente, la cantidad de acero utilizado para obtener una mayor

resistencia pronto aument a una parte sustancial de la seccin transversal de la ACSR, pero ms

recientemente, como el tamao de los conductores se ha ido incrementando, la tendencia ha sido la de

menor contenido de acero. Para conocer los requisitos variables, ACSR est disponible en una amplia

gama de contenido de acero - a partir de 7% en peso para el hilado de 36/1 a 40% para el hilado 30/7.

Los primeros diseos de ACSR como los trenzados o hilados 6/1, 30/7, 30/19, 54/19 y 54/7 presentaron

alto contenido de acero, 26% a 40%, con nfasis en la fuerza tal vez debido a los temores de problemas

de rotura por fatiga debido a la vibracin. Hoy en da, para los tamaos ms grandes de AWG o

secciones de conductor ms grandes, los hilados o trenzados ms utilizados son 18/1, 45/7, 72/7 y

84/19, que comprende una amplia gama de contenido de acero de 11% a 18%. Por la resistencia a la

rotura moderadamente superior 54/19, 54/7 y 26/7, el contenido de acero es de 26%, 26% y 31%,

respectivamente. La alta resistencia a la rotura del ACSR con trenzados 8/1, 07/12 y 16/19, se utiliza

sobre todo para los cables areos con transicin a tierra, Vanos extra largos, cruces de ros, etc.

Los hilos del ncleo interno de ACSR pueden ser de acero recubierto con zinc (galvanizado), disponible

en la norma de peso Clase A, recubrimiento o recubrimientos ms pesados de la clase B o

recubrimientos Clase C. Los Recubrimientos Clase B tienen aproximadamente dos veces el espesor de la

Clase A y los Recubrimientos Clase C son cerca de tres veces ms gruesos que la Clase A. Los Hilos o

ncleos internos tambin pueden ser de acero revestido en aluminio (aluminizado) o de aluminio

revestido de acero de aluminio. Este ltimo produce un conductor designado como ACSR / AW en la que

el revestimiento de aluminio comprende 25% de la superficie del alambre, con un espesor mnimo de

revestimiento de 10% del radio total. Los hilos de refuerzo pueden estar en un ncleo central o

distribuido por todo el cable. Los espesores de la cobertura del galvanizado o aluminizado son delgadas,

y se utilizan para reducir la corrosin de los alambres de acero. La conductividad de estos delgados hilos

de cable recubiertos es de aproximadamente 8% IACS. La conductividad aparente del cable reforzado

ACSR / AW es 20.3% IACS

VARIACIONES DEL ACSR

6201 "AAAC" - Un Cable con alta resistencia a la traccin, de aleacin aluminio-magnesio-silicio fue

desarrollado para reemplazar a los altamente resistentes conductores ACSR 6/1. Originalmente llamado

AAAC, este conductor de aleacin ofrece excelentes caractersticas elctricas con una conductividad de

52,5% IACS, excelentes caractersticas Esfuerzo-Fluencia y resistencia a la corrosin superior a la de

ACSR. El templado del 6201 es normalmente T81.

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Los conductores de aleacin de aluminio 6201, se venden tpicamente como Reemplazos equivalentes a

las formaciones ACSR 6/1 y 26/7. La equivalencia 6201 tiene aproximadamente la misma capacidad de

corriente (Ampacidad) y Resistencia a la Rotura como sus homlogos ACSR con una relacin muy

mejorada resistencia al esfuerzo-peso. Los conductores 6201 tambin exhiben sustancialmente mejores

caractersticas ante las prdidas elctricas que sus construcciones equivalentes ACSR , de una sola capa.

Sin embargo, el coeficiente de expansin trmica es mayor que la de ACSR. Como con conductores AAC,

la temperatura mxima de cortocircuito del AAAC 6201, debe mantenerse por debajo de 340 C para

evitar el peligroso recocido del conductor.

En comparacin con el ACSR, El AAAC tiene menor peso, comparables Resistencia al esfuerzo y

capacidad de transporte de corriente(Ampacidad), las prdidas elctricas son ms bajas y superior

resistencia a la corrosin, que han dado a este conductor gran aceptacin como conductor de

distribucin. Pero ha encontrado un uso limitado, sin embargo, como conductor de transmisin.

ACAR - (conductor de aluminio-aleacin de aluminio reforzado) - ACAR combina la aleacin de aluminio

1350 y 6201 Trenzada para proporcionar un conductor de transmisin con un excelente balance de

propiedades elctricas y mecnicas. Este conductor consiste en una o ms capas de hilos de aluminio

1350-H19 envueltos helicoidalmente sobre uno o ms 6201-T81 alambres de aleacin de aluminio. El

ncleo puede consistir en una o ms hebras del 6201. La principal ventaja del conductor ACAR radica en

el hecho de que todos los filamentos son intercambiables entre CE y 6201, permitiendo de este modo el

diseo de un conductor con un equilibrio ptimo entre las caractersticas mecnicas y elctricas. En

efecto, ACAR es un conductor de aleacin de aluminio-aluminio de material compuesto que est

diseado para cada aplicacin para optimizar las propiedades. Inversamente, los Conductores ACAR

tambin estn disponibles con alambres de aleacin de aluminio 6201 ms duros en la superficie

exterior del conductor y con el aluminio 1350 en el centro del conductor.

TPICAS VARIACIONES DE CONDUCTORES ACAR CON ARREGLO TRENZADO

CONCNTRICO

AACSR - (conductor 6201 aleacin de aluminio Con acero reforzado) - Es un ACSR con los alambres de

aluminio 1350 reemplazados por alambres 6201-T81 de aleacin de aluminio. La Alta resistencia a la

traccin de los alambres 6201-T81 combinado con la alta resistencia del acero proporciona un

conductor excepcional con alta resistencia al esfuerzo y con buena conductividad. Los conductores

AACSR tienen aproximadamente 40% a 60% ms Resistencia a la traccin que los conductores de ACSR

estndar de trenzado equivalente, y slo una disminucin del 8-10% en la conductividad. AACSR est

disponible con todos los tipos bsicos especificados para su uso con ACSR estndar.

SSAC (Steell Supported aluminium cable)- (acero soportado por cable de aluminio) El conductor SSAC

fue diseado para su uso como un conductor de reemplazo en la modernizacin de las lneas de

transmisin y distribucin existentes con desembolso de capital mnimo. La premisa de diseo es Hacer

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funcionar un conductor a mayor temperatura sin que se produzca el recocido perjudicial del aluminio

como en el comn de los ACSR causando una prdida de resistencia al esfuerzo en el aluminio. El

Conductor SSAC es un conductor compuesto de aluminio-acero parecido al estndar ACSR en apariencia,

en el trenzado y en el dimetro total. Este es el alcance de sus similitudes, sin embargo. SSAC utiliza

1350-0 (completamente recocidos) hebras de aluminio con 63,0% de conductividad en lugar del

tradicional 1350-H19 aluminio endurecido utilizado en la norma ACSR que posee el 61,2% IACS de

conductividad(61,2% de la Conductividad del Cobre Recocido). El ncleo de acero puede estar hecha de

alta resistencia de alambre ncleo de acero convencional o extra. En comparacin con un ACSR de igual

tamao, SSAC tiene una menor resistencia, menor resistencia a la rotura, menor fluencia al

alargamiento y menor mdulo elstico. SSAC puede funcionar a temperaturas tan altas como 250 C sin

prdida de resistencia al esfuerzo y se puede someter a mayores tensiones porcentuales bajo carga

debido a sus buenas caractersticas elsticas.

SSAC ha Tenido un uso limitado en los Estados Unidos. Aunque SSAC tiene una mejor conductividad, una

temperatura de funcionamiento ms alta y una mejor caracterstica de elasticidad en comparacin con

ACSR convencional, que tiene una resistencia a la rotura ms baja, por lo general dando mayores valores

de fluencia iniciales y finales. Es, sin embargo, un buen conductor a tener en cuenta para las

actualizaciones de lnea si el valor actual calculado de prdidas elctricas muestra un ahorro sobre el

coste de conversin de la lnea.

ACSR EXPANDIDO - Este conductor est diseado para ser utilizado donde se requieren conductores

SIMPLES de gran dimetro para reducir el gradiente de Potencial elctrico en la superficie del conductor

proporcionando un funcionamiento libre de efecto corona. ACSR Expandido se utiliza cuando un solo

conductor, en lugar de un haz de conductores, se utiliza a niveles de Extra Alta tensin (EHV). El ACSR

Expandido, est especialmente fabricado para tener un dimetro exterior mayor que el que se podra

lograr usando el rea circular de aluminio requerido. La expansin se logra mediante el uso de cables de

gran tamao ampliamente espaciados en capas sucesivas de alambre cerca del ncleo. La expansin

tambin se ha logrado mediante el uso de figuras en metal extruido y diversas cuerdas, papel o yute. Los

Conductores expandidos pueden ofrecer caractersticas mecanicas mejoradas, as como un diseo

eficiente. Debido a las tcnicas de fabricacin precisas requeridas para la fabricacin de conductores

expandidos y una historia de problemas de instalacin, estos conductores no se han utilizado

ampliamente.

Conductores de Cuerpo Liso:

Algunos cables estn diseados para producir una superficie exterior lisa y reducir el dimetro total

exterior. Este menor dimetro reduce la carga de hielo y de viento encontradas durante el mal tiempo,

reduciendo as el polo / torre de carga o permitiendo tramos de diseo ms largos. Conductores del

cuerpo liso son de dos tipos - conductores compactos o conductores compactos de alambre con forma

trapezoidal, por ejemplo, conductores TW.

Conductores compactos - conductores areos compactos estn disponibles tanto en AAC y ACSR con

reducciones de dimetro que van desde 8% a 11%. Conductores AAC estn disponibles en un rango

de tamao de # 8 AWG a travs de 1000 kcmil con trenzado estndar como se indica en la norma

ASTM. Los Conductores compactos ACSR slo estn disponibles en tamaos # 6 AWG a travs de

336.4 kcmil en construcciones de un solo ncleo de alambre de acero.

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Conductores compactos se fabrican haciendo pasar el cable trenzado a travs de potentes rodillos de

compactacin o de una matriz de compactacin. Las hebras se deforman, en la medida en que pierden

su circularidad, llenando parcialmente los huecos entre hebras y la superficie exterior del conductor se

convierte en un cilindro relativamente suave. La reduccin resultante en dimetro total no slo reduce

las caractersticas de hielo y la carga del viento del conductor sino que tambin reduce el gradiente de

tensin en la superficie del conductor.

150% / 200% ACSR - Los trminos 150% y 200% ACSR se refiere a una familia de una sola capa (6/1)

construcciones de ACSR que tienen 150% y 200% de la fuerza de la ACSR norma de construccin

equivalente aproximadamente al mismo tiempo que exhiben mismo dimetro total. El 150% y 200%

cuerpo suave ACSR fue desarrollado para proporcionar un conductor con un aumento sustancial de la

resistencia a la rotura en comparacin con construcciones 6/1 ACSR estndar. Esto se logra mediante el

uso de un alambre de ncleo de acero ms grande y aplanamiento drsticamente los hilos de aluminio

para crear una superficie cilndrica de conductor lisa.

El 150% y 200% del ACSR de cuerpo liso, se fabrica haciendo pasar el cable trenzado compuesto a

travs de un troquel o rollos de modo diseado para aplanar los hilos de aluminio y llenar los intersticios

que existen en ACSR de hebra convencional. Esto da lugar a una reduccin del dimetro total del cable

lo que significa una menor carga por formacin de hielo y menor carga de viento ms bajo y una mayor

resistencia al cociente de peso carga.

Estos conductores se han diseado principalmente para su uso en lneas de distribucin rurales. El

dimetro reducido y una alta resistencia extra proporcionan diseo substancial y ventajas operacionales

para los VANOS ms largos de una lnea de distribucin rural sirviendo reas pobladas esparcidas sujetas

a condiciones de clima fro severas.

Conductores con alambres en forma Trapezoidal - conductores compactos de alambre hechos en

forma de trapezoidal (TW) es relativamente un nuevo diseo de conductor. Estos conductores se

pueden proveer en los siguientes materiales: AAC, AAAC y construcciones ACSR y se designan como

tipos AAC / TW, AAAC / TW y ACSR / TW.

Los Diseos de conductores convencionales han utilizado tradicionalmente alambres redondos. El uso

de la tecnologa para disear y producir alambres trapezoidales (TW) proporciona a los diseadores de

conductores, una alternativa a los diseos de conductores de hilos redondos convencionales. El uso de

diseos de alambre trapezoidales produce conductores compactos con menos rea de huecos y un

menor dimetro exterior.

Con Trenzados ACSR convencionales, el nmero de hilos de aluminio y acero definen nicamente la

relacin del rea de acero al rea de aluminio. Por ejemplo, las construcciones ACSR 26/7 tienen la

misma relacin de rea de acero y rea de aluminio, de aproximadamente 16%. Sin embargo, con TW

hilos (hilos de forma trapezoidal) el nmero de hilos de aluminio y acero no definen necesariamente la

relacin entre acero y aluminio. Por lo tanto la designacin de "tipo" ha reemplazado a la designacin

por HILOS para identificar con mayor precisin a los conductores TW. Por ejemplo, un 795 kcmil-26/7

ACSR "Drake" tiene una contraparte designada TW 795 kcmil Tipo 16, ACSR / TW. El rea de superficie

de aluminio y acero de ambos conductores son idnticos. El uso de hilos de aluminio en forma de TW

har que el ACSR / TW tenga un dimetro ms pequeo.

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La siguiente tabla relaciona los Tipos ACSR / TW en Nmeros con la disposicin

de trenzado ACSR convencional.

COMPARACIN DE ACSR / TW CON TRENZADOS EQUIVALENTE DE ACSR

TIPO ACSR / TW CONVENCIONAL ACSR

Nmero * Trenzado *

5 42/7

7 45/7

8 84/19

10 22/7

13 54/7

13 54/19

15 26/7

COMPARACIN DE ACSR / TW CON TRENZADOS EQUIVALENTES DE ACSR ACSR / TW TIPO

CONVENCIONAL Nmero ACSR * Trenzado 5 42/7 7 45/7 8 84/19 10 22/7 13 54/7 13 54/19 15 26/7

* Nmero de ACSR / TW tipo es la relacin aproximada de la zona de acero al rea de aluminio en%.