Tema de Lineas y La Nom-001-Sede

TEMA LÍNEAS AÉREAS Y LA NOM-001-SEDE

JUNIO DE 2009

Preparó: Fidencio Ondarza Villarreal, CIMENL, AC 1 de 25

Elementos a considerar en el Diseño de Estructuras Urbanas Aéreas de Alta Tensión, para el transporte de Energía Eléctrica que garanticen la seguridad de la población civil y sus propiedades, considerando la NOM-001-SEDE.

CONTENIDO: 1. Distancias Eléctricas de seguridad, (Dimensionado, Libramientos y

Servidumbre). 2. Cargas Mecánicas y Factores de Sobre Carga.

1.- DISTANCIAS ELÉCTRICAS DE SEGURIDAD Para determinar las distancias eléctricas de seguridad, revisaremos los factores que intervienen en el dimensionado de las cadenas de aisladores que se usan para soportar los conductores.

a) ORIGEN DE LAS SOBRETENSIONES


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b) NIVELES DE AISLAMIENTO

Las tensiones de los sistemas eléctricos en México están normalizados por la Norma NMX-J-098, y a continuación se muestran los valores nominales de tensión de la tabla 710-24 de NOM-001-SEDE y los correspondientes Niveles Básicos de Aislamiento al Impulso, los valores para 400 kV los indicamos conforme a Normas de CFE, y las distancias dieléctricas son las calculadas.

TENSIÓN ELÉCTRICA NOMINAL

kV

NIVEL BÁSICO DE AISLAMIENTO

AL IMPULSO kV

++ DISTANCIAS DIELÉCTRICAS FASE A TIERRA

mm

85 350 450

662

115 450 550

851 1041

138 550 650

1041 1230

161 650 750

1230 1419

230 750 900 1050

1419 1703 1987

400 950 (NBAIM) 1050 (NBAIM)

* 2900 * 3400

NOTA: Las distancias dieléctricas son obtenidas conforme a las formulas (1) y (2) que se explican mas adelante

++ En condiciones estándar (25°C y al nivel del mar)

* Para configuración asimétrica


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c) DEFINICIÓN DE TÉRMINOS RELACIONADOS CON EL NIVEL DE AISLAMIENTO.

1. NIVEL BÁSICO DE AISLAMIENTO AL IMPULSO (NBAI) (BIL)

Valor de cresta de una tensión de Impulso normalizada que resiste un aislamiento externo, el cual se determina bajo prueba con una probabilidad de falla del 10%, corresponde al valor de cresta de una onda normalizada de tensión de impulso de 1.2/50 µs.

Lo anterior significa que la onda de impulso alcanza su valor máximo en 1.2 µs (tiempo de frente) y que disminuye hasta el 50% de éste valor en 50 µs (tiempo de cola) y se utiliza para simular descargas atmosféricas.

Esta tensión de NBAI se relaciona con la Tensión Crítica de Flameo (TCF) con la fórmula:

NBAI = 0.961 TCF (1)

2. NIVEL BÁSICO DE AISLAMIENTO POR MANIOBRA (NBAM)

Valor de cresta de una tensión de Impulso normalizada que resiste un aislamiento externo, el cual se determina bajo prueba con una probabilidad de falla del 10%, corresponde al valor de cresta de una onda normalizada de tensión de impulso de 250/2500 µs.

Esta tensión de NBAM se relaciona con la Tensión Crítica de Maniobra (TCM) con la fórmula:

NBAM = 0.922 TCM (2)


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3. TENSIÓN CRÍTICA DE FLAMEO.

Concepto estadístico aplicado a aislamientos auto recuperables (se refiere a los aislamientos externos que están rodeados por aire) que expresa el valor de la tensión de impulso de una onda normalizada de 1.2/50 ms, que produce para una clase de tensión dada una probabilidad de 50% de flameos determinada bajo condiciones estándar.

d) DIMENSIONADO DIELÉCTRICO.

Nos referimos a la determinación de las distancias en aire de NO FLAMEO entre partes vivas y tierra, o entre partes vivas entre sí, así como a las mínimas de seguridad.

Los aislamientos externos se ven afectados por las condiciones atmosféricas y ambientales tales como:

• Presión Barométrica

• Temperatura

• Humedad

• Contaminación.

1. DISTANCIAS EN AIRE PARA TENSIONES NOMINALES CON VALORES HASTA 230 kV

Se calculan para el efecto de una onda de tensión de impulso por rayo (1.2/50 µs) en condiciones estándar (25°C y al nivel del mar), y están dadas por la siguiente expresión:

TCF = K3 d (kV) (3)

Donde: d = distancia entre electrodos en metros

K3 = Factor de electrodo.

El factor K3 se determina en forma experimental para las diversas configuraciones posibles, y tiene un valor de 550 para los casos de Conductor-Estructura, Conductor-Ventana, Conductor-Suelo, Conductor-Conductor, y tiene un valor de 480 para configuraciones Varilla-Varilla y de Punta-Plano.


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2. DISTANCIAS EN AIRE PARA TENSIONES NOMINALES CON VALORES MAYOR A 230 kV

En este caso las distancias se calculan por efecto de una onda de tensión de impulso por maniobra (250/2500 µs) en condiciones estándar, y están dadas por la expresión:

D

KTCM

81

*3400 2

+= (4)

Donde: d = distancia entre electrodos en metros

K2 = Factor de electrodo

USANDO LAS FORMULAS (1) Y (2) QUE RELACIONAN LAS TENSIONES CRÍTICAS CON LOS NIVELES BÁSICOS DE AISLAMIENTO SE PUEDEN OBTENER LAS DISTANCIAS DIELÉCTRICAS EN AIRE PARA LOS DIVERSOS NIVELES DE VOLTAJE.

3. CORRECCIÓN DE DISTANCIAS DIELÉCTRICAS EN AIRE POR EFECTOS DE LA PRESIÓN BAROMÉTRICA, TEMPERATURA Y HUMEDAD.

Cuando no se tienen las condiciones estándar (25°C y al nivel del mar) se aplica la siguiente expresión para corregir valores:

H

ESTANDARCORREGIDO K

NBAINBAI

*δ= (5)

Tp

+=

273*392.0δ (6)

donde: NBAI = Nivél Básico de Aislamiento al Impulso.

δ = Factor de corrección por presión barométrica y temperatura

p = Presión barométrica en mm de Hg.

T = temperatura ambiente en °C

KH = Factor de corrección por humedad = 1 para 100% de HR


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Valores de p a diferentes alturas sobre el nivel del mar:

p = 760 mm Hg a nivel de mar

p = 679 mm Hg a 1,000 msnm

p = 605 mm Hg a 2,000 msnm

p = 537 mm Hg a 3,000 msnm

4. EFECTO DE LA CONTAMINACIÓN EN LOS AISLAMIENTOS EXTERNOS.

El depósito de contaminantes sobre la superficie de los aisladores combinado con la humedad, resulta en una disminución notable de la habilidad del aislador para soportar los voltajes normales de 60 Hz, de manera que llegan a establecerse corrientes superficiales de fuga lo que resulta en una alteración de la distribución del campo eléctrico produciendo una concentración del campo eléctrico en algunos puntos y los correspondientes efluvios. Aunque la contaminación no degrada el Nivel de Aislamiento (NBAI), si produce fallas a la frecuencia del sistema por contorneo, dando por resultado que se requiera aumentar la distancia de fuga a tierra para mitigar el efecto y tener intervalos de mantenimiento (limpieza de aislamiento) razonables. De acuerdo a los niveles de contaminación existentes en el sitio, se ha adoptado la recomendación de IEC para la selección de la distancia de fuga a tierra.

DISTANCIA DE FUGA EN mm/kV Fase a Fase NIVEL DE CONTAMINACIÓN

16 BAJO

20 MEDIO

25 ALTO

31 MUY ALTO


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e) EJEMPLO PARA DETERMINAR LA CANTIDAD Y TIPO DE AISLADORES QUE SE REQUIEREN PARA UN DETERMINADO SITIO DE LOCALIZACIÓN DE LA LÍNEA.

Para este ejemplo tendremos que satisfacer las siguientes condiciones: 1. Altura sobre el nivel de mar: hasta 3000 msnm 2. Tensión nominal: 220 kV 3. Nivel Básico de Aislamiento al Impulso: 750 kV 4. Temperatura promedio: 25°C 5. Nivel de contaminación: Alto (25 mm/kV) 6. K3 = 550, Configuración Cable-Estructura 7. Claro interpostal: claro = 150 metros 8. Flecha a 16ºC, sin viento: flecha= 3.87 metros 9. Zona de carga I, conforme a NOM 922-82

En este caso será necesario hacer correcciones por la altura sobre el nivel del mar y revisar por contaminación, ya que deseamos que se conserve el NBAI a los 3000 msnm, por lo que despejaremos de la ecuación (5), para los valores la temperatura y humedad relativa consideraremos los correspondientes a condiciones estándar. Usaremos las ecuaciones (1), (3), (5) y (6) antes comentadas:

NBAI = 0.961 TCF (1),

TCF = K3 d (kV) (3),

H

ESTANDARCORREGIDO K

NBAINBAI

*δ= (5),

Tp

+=

273*392.0δ (6)

692.025273526*392.0

=+

=δ , kVNBAIK

NBAI SITIODELHDISEÑOPARA _1084

692.0750*1* _

_ ===δ

Despejando de (1), kVNBAITCF _1128961.0

1084961.0

===

Despejando de (3), metrosd _05.2550

1128==


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Un aislador de suspensión típico de normas IEC, tiene una longitud de 146 mm, con discos de 254 mm y distancia de fuga de 292 mm. La cantidad de aisladores por distancia eléctrica la determinamos de la siguiente forma:

aisladoresaisladoresde _141462050_# ==

Revisaremos por contaminación, conforme a lo requerido para un nivel de contaminación medio (20 mm/kV) y un voltaje nominal de 220 kV, tenemos que se requiere: Distancia de fuga requerida = 25*220 = 5,500 mm, la cantidad de aisladores normales por contaminación que se requieren la obtenemos:

aisladoresacionContaporaisladoresde _19292500,5min___# ≈=

Aquí debemos tomar una decisión, si colocamos 19 aisladores, entonces el NBAI va a aumentar, si colocamos 14 aisladores entonces la distancia de fuga requerida por contaminación disminuye. Otra opción es sustituir algunos aisladores normales por otros tipo niebla que tienen una distancia de fuga mayor (432 mm), revisando los valores obtenidos encontramos que podemos cumplir con las dos condiciones (NBAI y Distancia de Fuga) colocando 9 aislador tipo niebla y 5 aisladores tipo normal, ya que ambos tipos de aisladores tienen la misma longitud pero diferente distancia de fuga.


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La decisión final generalmente es usar 13 aisladores tipo niebla mas uno tipo normal al final de la cadena de aisladores, éste último para facilitar la maniobra de cambio de cadenas cuando se trabaja en caliente. Con base a lo anterior pasamos al dimensionado general de la estructura en lo que corresponde a los brazos soporte. Por supuesto que la longitud final de la cadena de aisladores debe considerarse con todos los herrajes adicionales que requiera para unirse al brazo del poste y a los accesorios de sujeción del cable, dando una longitud de pivoteo total de 2647 mm, asimismo se debe respetar la distancia mínima a tierra determinada con el NBAI corregido y que encontramos debe ser de 2050 mm. También conforme a la NOM 922-12(b), debe considerarse que la cadena de suspensión puede moverse hasta 30° hacia el cuerpo del poste, para considerar posibles efectos de la carga de viento sobre los conductores. En la siguiente figura mostramos las dimensiones mínimas que se requieren para la longitud de los brazos y la separación vertical entre los mismos:

DIMENSIONADO MÍNIMO PARA LA LONGITUD DE BRAZOS Y LA SEPARACIÓN ENTRE LOS MISMOS


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En el caso de que los conductores del mismo circuito que se localicen al mismo nivel, la NOM 922-12(a)2 determina la separación mínima dependiendo de la flecha de los conductores, además incrementarla 3% por cada 300 metros en exceso de los 1000 m.s.n.m. y en el caso de cadenas de aislamiento tipo suspensión, considerar un desplazamiento de 30º de la misma sobre la vertical. Corrección por altura sobre el nivel de mar: 3% x (3000 -1000)/300 = 20% La separación se calcula con la ecuación 2 indicada en 922-12(a)2, que es de la siguiente manera:

A esta distancia habría que incrementarle el desplazamiento de 30º de la cadena, lo que nos da una distancia horizontal de: Dh = 2647 x sen 30º = 2647 x 0.5 = 1323.50 mm Con la corrección del 20% por altura sobre el nivel del mar quedaría: S = 1.2 x (2480 + 1323.50) = 4565 mm. La anterior es la separación mínima entre fases para conductores al mismo nivel de un circuito. Una vez establecidos estos espaciamientos, pasaremos a analizar, conforme a la NOM, la altura de conductores sobre el suelo y las distancias permitidas hacia las edificaciones, suponiendo que el poste se localiza en área urbana sobre una banqueta.

Procederemos a revisar las partes de la NOM-001-SEDE que se refiere a este tema:

922-52. Consideraciones. Las separaciones básicas horizontal y vertical de edificios, construcciones o anuncios, se aplican bajo las siguientes condiciones:

a) Separación horizontal. Debe aplicarse con el conductor desplazado de su posición en reposo por un viento a una presión de 29 kg/m2 con flecha final y a 16°C. Esta presión de viento puede reducirse a 19 kg/m2 en áreas protegidas por edificios u otros obstáculos. El desplazamiento del conductor debe incluir la inclinación de la cadena de aisladores de suspensión con movimiento libre.

b) Separación vertical

1) Temperatura en los conductores de 50°C, con flecha final, sin deflexión por viento.

2) Claros básicos como se indica a continuación:

- Hasta de 75 m para la Zona de carga I (véase 922-82).

mmxxmmxfkVS 2480387012,2823063,712,28)(62,7 =+=+=


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- Hasta de 100 m para todas las otras zonas.

Para determinar el desplazamiento del conductor por una presión de viento de 29 kg/m2 con flecha final a 16°C, emplearemos los siguiente datos:

Conductor ACSR calibre 1113 kCM

Diámetro el conductor: = d 0.03198 m

Peso del conductor: = w 1.875 kg/m

Flecha del conductor a 16°C S/V: = f 3.87 m

Flecha del conductor a 50°C S/V: = F 4.50 m

Claro Regla: = C 150 m

El ángulo que forma la catenaria del cable con relación a la vertical con una presión de viento de p = 29 kg/m2 lo obtenemos calculando el ángulo de la resultante entre la fuerza de la carga de viento y el peso del mismo cable.

Carga de viento sobre el claro del cable = C x d x p

C x d x p =150 x 0.03198 x 29 = 139.11 kg.

Peso del cable en un claro = C x w = 50 x 1.875 = 281.25 kg. + Peso de la cadena

El peso de la cadena (de 15 a 80 kg, dependiendo si es de aislamiento sintético, de vidrio, de porcelana), consideramos el mas pequeño para estar del lado seguro

Angulo respecto a la vertical = Tan-1(139.11 / (281.25+ 15)) = 25.13°

El desplazamiento horizontal de la Catenaria de cable a 16°C y una presión de viento de 29 kg/m2, la calculamos con estos datos:

Flecha a 16ºC = 3.87 m, Angulo = 25.13°, Longitud de la cadena = 2.647 m

Desplazamiento horizontal = (3.87 + 2.647)*Sen(25.13°) = 2.77 m

De aquí pasamos a obtener la distancia horizontal mínima requerida por la Norma desde el conductor hacia un edificio, para eso empleamos la Tabla 922-54, las notas de la misma y 922-56.

922-56. Separaciones adicionales. Las separaciones adicionales son las indicadas a continuación:


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a) Tensiones eléctricas mayores a 22 kV (a tierra). Para tensiones eléctricas entre 22 kV y 470 kV, las separaciones horizontal y vertical deben incrementarse 1,0 cm por cada kV en exceso de 22 kV.

b) Claros mayores al claro básico. Cuando la temperatura máxima de diseño del conductor sea de 50°C o menor, y el claro sea mayor que 100 m (o 75 m en la Zona de carga I), debe aplicarse a la separación vertical un incremento de 1,0 cm por cada m en exceso de 100 m (o 75 m en la Zona de carga I) del claro. Este incremento no requiere ser mayor que la diferencia aritmética entre las flechas finales calculadas para el claro del conductor sin deflexión por viento a 15°C y 50°C.

Excepción: Las separaciones no requieren incrementarse cuando los claros sean iguales o menores a 100 m (75 m en la zona de carga I) y la temperatura del conductor no exceda de 50°C.

De lo anterior obtenemos las siguientes distancias que debemos sumar:

• Distancia del conductor al eje del poste: 3.70 m.

• Desplazamiento del cable por la carga del viento: 2.77 m.

• Distancia básica conforme a tabla 922-54: 2.30 m.

• Distancia adicional en exceso de 22 kV, para el voltaje de 220 kV y altura hasta 3,000 msnm: (220-22) x 1.2 = 2.38 m.

• Distancia adicional por claro en exceso de 75 metros, para el claro de 150m: 0.75 m.

Así obtenemos la distancia que debe estar libre de construcciones hacia cada lado del eje del conductor:

D = 2.3 + 2.77 + 2.38 + 0.75 = 8.20 m,

para un derecho de vía total de Dv = 16.40 m.

De aquí obtenemos la distancia por el lado de la calle desde el eje de poste hasta el límite permitido para construcciones: 8.20 + 3.7 = 11.90 m.

También la distancia desde el eje del poste hacia el lado de la banqueta que debe estar libre de construcciones: 8.20 - 3.7 = 4.50 m.

Otro aspecto que conviene analizar, porque conforme a lo que acabamos de calcular, se requerirían banquetas de un ancho mínimo de 5.00 m, es la posibilidad, porque así lo permite la norma al definir las distancias verticales permitidas desde los conductores a los techos de edificaciones, de tener


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banquetas mas angostas pero con el inconveniente de tener conductores invadiendo el límite de propiedad y restringiendo la altura de los posibles edificios construidos hasta el límite de propiedad.

Lo anterior es perfectamente posible considerando que normalmente las nuevas reglamentaciones urbanísticas prohíben la construcción de edificios por el límite de propiedad, así que en los nuevos desarrollos existiría esta posibilidad, si se acuerda con el propietario esa servidumbre de paso.

La forma de calcularlo sería tomando en cuenta la parte mas baja del conductor hasta el suelo a 50°C y de ahí agregar la distancia vertical sobre los techos de edificaciones que permite la norma.

La distancia básica vertical indicada por la Tabla 922-54 es de 4.1 m, las separaciones adicionales son las mismas, por lo que podemos establecer para este caso que la distancia vertical sobre el techo de edificaciones a la que se pueden colocar conductores es de: 4.1 + 2.38 + 0.75 = 7.23 m

Para la distancia vertical, se considera la flecha a 50ºC

En la siguiente figura podemos ver un resumen de las distancias eléctricas que indica la NOM-001-SEDE y que dan por resultado una instalación segura para las personas y sus propiedades.

Lo anterior debe ser complementado con un diseño mecánico adecuado de las estructuras.

La conexión a tierra de la estructura también cumple con la NOM-001-SEDE, considerando que se considera como un buen electrodo la cimentación de concreto de los postes, debido a sus dimensiones y armado y es necesario que el cuerpo del poste se conecte a las varillas de refuerzo mediante cable de cobre y conectores de fusión.


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2.- CARGAS MECÁNICAS Y FACTORES DE SOBRECARGA EN POSTES DE ACERO.

Para determinar las Cargas Mecánicas y los Factores de Sobre Carga o el de Carga para el diseño de las estructuras tenemos varias opciones entre las que podemos mencionar:

• NOM-001-SEDE • Normas de CFE • Normas de la American Society of Civil Engineers

Por supuesto que las tres dan resultados muy similares, la diferencia básica es la forma en que consideran el efecto de la presión de viento sobre las estructuras y los conductores. El método usado por CFE y ASCE son muy similares ya que diseñan al límite elástico de acero, por lo que usan Factores de Carga como medida de seguridad; la diferencia fundamental entre ellos es en el cálculo de las presiones derivadas de la acción de viento ya que utilizan diferentes tiempos de promediación de las ráfagas de viento, por lo que especifican diferentes factores de carga. En la NOM-001-SEDE utilizan el tiempo de promediación mas largo (el registrado por un anemómetro) que resulta en valores de velocidad y presiones de viento menores, pero el diseño es aplicando factores de Sobre Carga mayores. Otra consideración aparece cuando se toma en cuenta la importancia de la línea eléctrica y entonces tenemos Velocidades Regionales de Viento con diferentes tiempo de retorno (10, 50, 100, 200 años) y se refiere a la probabilidad de exceder el valor máximo considerado, y por supuesto que entre mayor el tiempo de retorno, es mayor la Velocidad Regional a considerar en el diseño. Para lo anterior, la NOM-001-SEDE simplemente determina diferentes factores de Sobre Carga según la importancia de la línea dando resultados similares. Las diferencias entre los métodos se basan en diferentes consideraciones como:

• Las ráfagas de viento no tienen un frente amplio de acción, es decir si la dirección del viento es transversal a un tramo de línea, NO va a afectar igual a todo el tramo, algunos claros del mismo tramo estarán expuestos a ráfagas mas fuertes que otros, así que el efecto resultante en el aumento de la tensión es realmente menor que el calculado como si la máxima presión estuviese afectando simultáneamente a todos los claros de un mismo tramo.

• De lo anterior también se infiere que entre mas grandes los claros, la presión de viento resultante sobre el claro horizontal también es menor.

• Con las estructuras es diferente, la ráfaga de viento si puede afectar a una estructura completa.


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• El tiempo de promediación con que se mide la velocidad, arroja valores diferentes de Velocidad Máxima, por ejemplo CFE toma 3 segundos, ASCE 10 segundos y la NOM 15 segundos, entonces para un mismo sitio, por ejemplo la NOM pudiera indicar 90 km/hr, ASCE 120 km/hr y CFE 160 km/hr.

• Por lo anterior cada método indica diferentes factores de carga, que determinan con método de probabilísticas y tiempo de retorno.

NOTA: de la experiencia y observación del efecto de las cargas sobre las estructuras podemos resumir lo siguiente:

• Las tracciones mecánicas de conductores sobre los postes de acero, no sobrepasan los 2,000 kg. y los herrajes usados generalmente tienen un esfuerzo último de 11,300 kg., y la tensión de ruptura de conductores anda también en valores arriba de 10,000 kg. por lo que es muy poco probable la falla de herrajes o conductores (caídos o reventados).

• La carga de viento nunca dañará un poste de remate o deflexión ya que la carga dominante del diseño es la tensión de los conductores.

• Las eventuales sobrecargas sobre los postes de remate y deflexión son siempre bien soportadas ya que la deformación elástica en el sentido de la carga (tirón de los cables) hace que la tensión mecánica disminuya.

• La parte mas débil de la línea son los postes de suspensión, por lo que es muy importante que se seleccionen para la carga de viento esperada.

Para el desarrollo de esta parte del tema nos ajustaremos a lo indicado por la NOM-001-SEDE en lo que se relaciona a Cargas y Factores de Sobre Carga.

1) TIPOS DE POSTES El diseño de estructuras urbanas tipo poste debe considerar cuando menos tres tipos:

1. Postes de Suspensión 2. Postes de Deflexión 3. Postes de Remate y Deflexión.

2) VENTAJAS DEL USO DE LO POSTES DE ACERO El poste de acero es una estructura muy versátil que debido a su sección transversal simétrica permite cargarlo en cualquier dirección presentando las siguientes ventajas:

1. Son estructuras autosoportadas que no requieren el uso de retenidas o estructuras auxiliares para mantenerse en posición.


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Esto es especialmente útil en cruceros congestionados o en trayectorias sobre calles con curvas.

2. En las estructuras de suspensión los diámetros a nivel de tierra pueden ser iguales o menores a los correspondientes a postes de madera de la misma altura, de manera que cuando son postes directamente empotrados al suelo, no invaden en forma excesiva las banquetas donde se localicen. Los postes con cimientos bridados con anclas requieren de banquetas mas amplias.

3. Se pueden fabricar postes de alturas especiales para resolver problemas de libramientos en el cruzamiento con complejos viales, puentes, autopistas etc.

4. Facilidad de transporte al estar diseñados en tres secciones, lo cual no es posible en postes de madera o de concreto que con alturas equivalentes de 28.95 metros (90') o mayores, son difíciles de conseguir y tienen un peso mayor a las secciones de los postes de acero de suspensión.

Las longitudes de las secciones van de 10 a 13 metros de largo, y se pueden anidar unas dentro de otras.

5. Tienen un gran versatilidad, ya que fácilmente se pueden hacer arreglos en campo para satisfacer problemas específicos: adicionando brazos, soldando herrajes, aumentando la altura de los cimientos, etc.

3) CARGAS A CONSIDERAR Las principales cargas a considerar en el diseño de postes de transmisión son:

1. Cargas que transmiten los cables. Éstas se deben a: deflexión, tensión mecánica, masa propia y presión de viento:

2. Acción del viento sobre el poste.

3. Masa propia del poste. 4. Masa de las cadenas de aisladores y herrajes. 5. Por construcción y mantenimiento, (se aplica sólo para el diseño de los

brazos). 6. Por acumulación de hielo.

4) Identificación de las cargas Usaremos la siguiente nomenclatura para identificar las cargas:


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NOMENCLATURA DESCRIPCIÓN

PC Carga vertical, en kg debida a la masa de los cables conductores y de guarda

PCH Carga vertical (kg) debida al hielo acumulado en los cables

PA Carga vertical en kg debida a la masa de los aisladores, herrajes y accesorios

PE Masa propia del poste, en kg

PVM Carga vertical de montaje para el diseño de los brazos que es de 300 kg para los brazos de guarda y 500 kg para los brazos de conductores

VC Carga transversal (kg) debida a la acción de VM sobre los cables

VCH Carga transversal (kg) debida a la acción del viento VR sobre los cables cuando tengan hielo acumulado

VM Velocidad regional máxima de viento.

VR Velocidad reducida de viento.

VE Fuerza transversal (kg) producida por la acción del viento VM sobre el poste

VEH Fuerza transversal (kg) debida a la acción del viento VR sobre el poste

FL Fuerza longitudinal (kg) debida a la tensión máxima de los cables

CT Componente transversal (kg) producida por la tensión máxima de los cables debida a la deflexión de la línea.

La ubicación de las cargas las podemos ver en la siguiente figura:


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5) FACTORES DE SOBRECARGA PARA POSTES DE ACERO. Distingue la NOM dos clases de estructuras la "Clase A" y la "Clase B", correspondiendo la "Clase A" a las estructuras urbanas y en general para las líneas de alto voltaje. En la siguiente tabla mostramos un resumen de los factores de sobrecarga que indica la NOM para los diversos elementos de una estructura "Clase A" Los obtenemos de la tabla 922-93 de la NOM-001-SEDE, para "Clase A" para postes de acero.

CONCEPTO FACTOR DE SOBRECARGA

1.1 Sobrecarga vertical: 1.3

1.2 Sobrecarga transversal, incluye remates y deflexiones: 1.8

1. C

RU

CE

TAS

1.3 Sobrecarga longitudinal: Sin ruptura de cables

1.6

2.1 Sobrecarga vertical: Sin ruptura de cables

1.3

2.2 Sobrecarga transversal: Sin ruptura de cables

1.8

2. P

OS

TES

Y T

OR

RE

S

2.3 Sobrecarga longitudinal: Sin ruptura de cables

1.6


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6) HIPÓTESIS Y COMBINACIONES DE CARGAS.

SIN HIELO: HIPÓTESIS COMBINACIÓN DE

CARGAS CARGA DE VIENTO

De servicio (suspensión.) PC+PA+PE

De servicio (deflexión) PC+PA+PE+CT

De servicio (remate) PC+PA+PE+CT+FL

Máxima (suspensión) PC+PA+PE+VC+VE VM

Máxima (deflexión) PC+PA+PE+VC+VE+CT VM

Máxima (remate) PC+PA+PE+VC+VE+CT+CL VM

CON HIELO:

HIPÓTESIS COMBINACIÓN DE CARGAS CARGA DE VIENTO

Máxima (suspensión) PCH+PA+PE+VCH+VEH VR

Máxima (deflexión) PCH+PA+PE+VCH+VEH +CT VR

Máxima (remate) PCH+PA+PE+VCH+VEH +FL VR

7) ZONAS DE CARGA MECÁNICA. Con el propósito de establecer las cargas mínimas que deben considerarse en el cálculo mecánico de líneas aéreas, según el lugar de su instalación, el país se ha dividido en seis zonas de carga que se indican en el mapa de la Figura 922-82. Estas zonas corresponden, en términos generales, a las siguientes regiones del país: Zona I. Región Norte (Baja California Norte, Chihuahua, Coahuila, Nuevo

León y parte de Sonora). Zona II. Región Centro Norte (Durango y Aguascalientes, y parte de

Zacatecas y San Luis Potosí). Zona III. Región Centro Sur (Parte de Oaxaca y Chiapas). Zona IV. Región Central (Guanajuato, Querétaro, Estado de México, Distrito

Federal, Tlaxcala, Morelos y parte de Zacatecas, San Luis Potosí, Jalisco, Michoacán, Hidalgo, Puebla, Veracruz y Guerrero).


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Zona V. Región Costera (Baja California Sur, Sinaloa, Nayarit, Colima, Tamaulipas, Tabasco, Campeche, Yucatán y parte de Quintana Roo, Sonora, Jalisco, Michoacán, Guerrero, Oaxaca, Chiapas, San Luis Potosí, Hidalgo, Puebla y Veracruz).

Zona VI. Región Especial (Parte de Oaxaca, Tamaulipas, Veracruz y Quintana Roo).

Las líneas aéreas deben tener resistencia mecánica suficiente para soportar las cargas propias y las debidas a las condiciones meteorológicas a que estén sometidas, según el lugar en que se ubique cada línea, con los factores de sobrecarga adecuados. Las condiciones meteorológicas mínimas que deben considerarse en general, son las establecidas para cada Zona de Carga. En cada caso deben investigarse y aplicarse las condiciones meteorológicas que prevalezcan en el área en que se localice la línea. En aquellas regiones del país donde las líneas aéreas lleguen a estar sometidas a cargas mecánicas más severas que las calculadas sobre las bases señaladas aquí, por mayor recubrimiento de hielo, menor temperatura o mayor velocidad del viento, las instalaciones deben proyectarse tomando en cuenta tales condiciones de carga, conservando los factores de sobrecarga correspondientes. De no realizarse un análisis técnico detallado, que demuestre que pueden aplicarse cargas mecánicas menores, no deben reducirse las indicadas en esta Parte de la NOM.


JUNIO DE 2009


8) PRESIÓN DE VIENTO PARA DISEÑO DE POSTES DE ACERO Conforme a la NOM-001-SEDE 922-84. Presión de viento. La presión del viento sobre las líneas aéreas se debe calcular, según la superficie de que se trate, por medio de las siguientes ecuaciones: a) Sobre conductores. Superficies de alambres y cables P = 0,00482 V2 b) Sobre estructuras: Superficies cilíndricas (postes) P = 0,00815 V2 Superficies planas (torres) P = 0,0130 V2 Donde "P" es la presión de viento, en kg/m2 del área proyectada y "V" es la velocidad de viento de diseño, en km/h. La velocidad de viento de diseño es la velocidad real o actual, equivalente a la velocidad máxima indicada en los anemómetros de la zona correspondiente, dividida por 1,3. En Condiciones con Hielo, se usa una presión reducida de viento en cables con hielo de 20 kg/m².

Tabla 922-84 Presión del viento en kg/m2,

sobre superficies de:

Estructuras

Zona de carga

mecánica

Velocidad de viento de diseño

km/h Cables Cilíndricas De celosía

I, II y III 90 39 66 105

IV 70 24 40 64

V 100 48 81 130

VI 105 53 90 143


JUNIO DE 2009


9) EJEMPLO DE ESTIMACIÓN DE CARGAS PARA EL DISEÑO DE UN POSTE DE ACERO.

Las cargas y factores de carga que se van a estimar son para una estructura tipo poste de acero para suspensión, HIPÓTESIS de carga máxima, con los siguientes datos:

CONCEPTO DESCRIPCIÓN TIPO Poste troncopiramidal de acero

ALTURA TOTAL DE POSTE 25 m

DIÁMETRO EN LA BASE 0.70 m

DIÁMETRO EN LA CORONA 0.25 m

USO Suspensión, Zona de carga II, sin ruptura de cables.

TENSION NOMINAL, NBAI 115 kV, 550 kV

No. DE CIRCUITOS 1, Disposición Vertical, 1 conductor/fase

PRESION DE VIENTO EN POSTE 66 kg/m2

P. DE VIENTO EN CONDUCTORES 39 kg/m2

FACTOR SOBRECARGA VERTICAL 1.3

F. SOBRECARGA TRANVERSAL 1.8

F. SOBRECARGA LONGITUDINAL 1.6 Datos de los conductores: Concepto ACSR 795, Conductor OPGW, Cable de guarda

PESO (kg/m) 1.624 0.51

DIAMETRO (m) 0.02814 0.013

ÁREA (mm2) 468.5 90 Tension de Ruptura (kg) 14,175 7625 Claro regla (m) 140 140 Claro de viento (m) 150 150 Claro de peso (m) 170 170 Parametro a 50°C 490 613 FLECHA A 50°C (m) 5 4


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Calculo de las cargas

CLAVE POR CONDUCTOR POR C. DE GUARDA

PC PCc =170 X1.624X1.3=358.90 Kg. PCg=170X0.51x1.3=112.71 Kg.

PCH NO APLICA NO APLICA

PA PAc=100 X 1.3 = 130 Kg. PAg=10 x 1.3 = 13 Kg.

PE POR ESTIMAR, APROX 2400 Kg.

PVM PVMc =500 X 1.3 = 650Kg. PVMg =300 X 1.3 = 390 Kg.

VC 150X39X0.02814X1.8=296.31 Kg. 150X39X0.013X1.8=136.89 Kg.

VCH NO APLICA NO APLICA

VM 90 KM/H 90 KM/H

VR NO APLICA NO APLICA

VE POR ESTIMAR, 25 X ((0.7+0.25)/2) X 66 X 1.8 = 1410.75 Kg. APROX

VEH NO APLICA NO APLICA

FL NO APLICA NO APLICA

CT NO APLICA. NO APLICA

Bibliografía:

• NOM-001-SEDE • Guidelines for Electrical Transmisión Line Structural Loading, ASCE

Manuals and Reports on Engineering Practice No. 74 • Especificaciones CFE

SEPARACION EN CRUCES DE CONDUCTORES AEREOS

SEPARACION VERTICAL (en cm) ENTRE CONDUCTORES SOPORTADOS EN DIFERENTES ESTRUCTURAS.

NOTAS:

1.- AMBOS CONDUCTORES DEBEN ANALIZARSE DESDE SU POSICIÓN DE REPOSO CONFLECHA INICIAL Y FINAL A 50°C, HASTA UN DESPLAZAMIENTO OCASIONADO POR UNVIENTO DE 29 KG/M², CON FLECHA INICIAL Y FINAL A 16°C.

2.- LAS SEPARACIONES ESPECIFICADAS SON APLICABLES SÓLO SI LA TEMPERATURADEL CONDUCTOR NO EXCEDE DE 50°C.

3.- LOS CLAROS BÁSICOS SON DE 75 M PARA LA ZONA I Y DE 100 M PARA LAS DEMÁSZONAS (VER PLANO EN 02 00 02). SI EL CLARO ES MAYOR QUE EL CLARO BÁSICO, SUFLECHA DEBE SER INCREMENTADA 1,5 CM PARA ZONA I Ó 1 CM PARA LAS DEMÁS PORCADA METRO EN EXCESO DEL CLARO BÁSICO.

4.- LA SEPARACIÓN HORIZONTAL EN CRUZAMIENTOS O ENTRE CONDUCTORESADYACENTES DEBE SER DE 1,50 M MÍNIMO.

5.- LOS CONDUCTORES NEUTROS A QUE SE REFIEREN ESTAS SEPARACIONES SON LOSQUE ESTÁN CONECTADOS A TIERRA A LO LARGO DE LA LÍNEA. LOS ARBOTANTES SECONSIDERAN COMO 0 VOLTS.

6.- LOS CONDUCTORES ALIMENTADORES DE TROLEBUSES Y TRENES DE MÁS DE 1 KVDEBEN TENER UNA SEPARACIÓN MÍNIMA DE 1,80 M.

7.- LA SEPARACIÓN MÍNIMA ENTRE UNA LÍNEA DE DISTRIBUCIÓN Y OTRA DESUBTRANSMISIÓN O TRANSMISIÓN, SERÁ DE 1,80 M MÁS 1 CM POR CADA KV ENEXCESO DE 50 KV. ESTE INCREMENTO DEBE AUMENTARSE EN 3% POR CADA 300 M DEALTURA EN EXCESO DE 1000 M SOBRE EL NIVEL DEL MAR.

880927

COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD

SUBDIRECCIÓN DE CONSTRUCCIÓN

FECHA REV.: FEBRERO 2007

ANEXO 3: LIBRAMIENTOS Y SEPARACIONES MÍNIMAS EN CRUCES

LIBRAMIENTOS MÍNIMOS 115 kV 138 kV 230 kV 400 kV AREAS DE ACCESO A PEATONES 7.00 7.50 8.50 10.65VÍAS FÉRREAS 15.00 15.00 16.00 18.00CARRETERAS-CALLES-CAMINOS 9.00 9.20 10.00 12.20CAMPOS DE CULTIVO (CEREALES, LEGUMINOSAS, HORTALIZAS, ETC.) 7.00 7.55 9.00 11.00ZONAS DE HUERTOS (CÍTRICOS, MANZANOS, CIRUELOS, GUAYABOS) 11.00 11.50 12.00 15.00ZONAS CAFETALERAS Y CERCOS “VIVOS” 11.00 11.50 12.00 15.00CULTIVO DE CAÑA 13.00 13.20 14.00 16.00AGUAS NAVEGABLES 13.00 13.20 14.00 16.00ZONAS INUNDABLES 7.00 +

T.I.M.E. 7.50 +

T.I.M.E. 8.50 +

T.I.M.E. 10.65 + T.I.M.E.

CRUZAMIENTOS CON LÍNEAS ELÉCTRICAS Y DE COMUNICACIÓN 115 kV 138 kV 230 kV 400 kV

L.T. HASTA 50 kV 2.74 2.95 3.65 6.10L.T. 69 kV 2.93 3.15 3.85 6.29L.T. 115 kV 3.39 3.60 4.31 6.75L.T. 138 kV 3.62 3.80 4.54 6.98L.T. 161 kV 3.85 4.05 4.77 7.21L.T. 230 kV 5.46 7.90L.T. 400 kV 9.60LÍNEAS DE COMUNICACIÓN, LÍNEAS DE TRANVÍAS, TROLEBUSES O TRENES CON VÍA AÉREA ELÉCTRICA

5.00 5.50 7.00 8.00

NOTAS:

1. T.I.M.E. = Tirante de Inundación Máximo Esperado 2. Libramientos y separaciones en cruces sin viento y flecha final a 50ºC 3. Distancias en metros

31

DERECHO DE VÍA NORMA DE REFERENCIA

NRF-014-CFE

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4.9 Zona Rural

Área geográfica que presenta núcleos de población frecuentemente dispersos menores a 15 000 habitantes. Generalmente en estas áreas predominan las actividades agropecuarias.

4.10 Zona o Terreno Forestal

Es aquella que esta cubierta por vegetación forestal, entendiéndose como vegetación forestal el conjunto de plantas y hongos que crecen y se desarrollan en forma natural, formando bosques, selvas, zonas áridas y semiáridas, así como otros ecosistemas, dando lugar al desarrollo y convivencia equilibrada de otros recursos y procesos naturales.

4.11 Tensión Eléctrica

Es la diferencia de potencial en valor eficaz entre dos fases.

Las tensiones son valores nominales de un sistema o circuito, siendo los valores de designación del mismo, al que están referidas ciertas características de operación, las cuales varían dependiendo de la altura sobre el nivel del mar, en el que se ubique la línea eléctrica.

4.12 Presión de Viento en Cables

Fuerza que ejerce el viento sobre el área proyectada del cable en un plano vertical.

5 CARACTERÍSTICAS Y CONDICIONES GENERALES

5.1 Objetivos del Derecho de Vía

Los objetivos del derecho de vía son:

- disponer del área bajo las líneas, que permita su adecuada operación con la máxima confiabilidad y el menor índice de salidas, en beneficio del servicio público eléctrico;

- facilitar su inspección y mantenimiento con las mínimas interferencias;

- proporcionar la seguridad necesaria a los residentes que se ubiquen en la vecindad de los conductores, para evitar la posibilidad de accidentes, debido a una tensión eléctrica mortal por contacto directo, o por fenómenos de inducción.

5.2 Requisitos que se deben cumplir para que el Derecho de Vía sea Funcional

Dentro del área que ocupa el derecho de vía, no deben existir obstáculos ni construcciones de ninguna naturaleza que pongan en riesgo la construcción y operación de las líneas eléctricas.

Se pueden aceptar vialidades y áreas verdes, cuya vegetación no rebase los 2 m de altura; así como estacionamientos previa autorización técnica-jurídica de la CFE, la cual debe ser formalizada mediante convenio; en el caso de estacionamientos es obligación del arrendatario o

dueño del mismo contar con un seguro vigente de responsabilidad civil por daños a terceros en sus bienes y personas, previendo daños por la caída de cables y/o estructuras; debiendo cumplir con los lineamientos de seguridad establecidos por CFE, basados en la norma NOM-001-SEDE.

Para los casos tales como: la instalación de áreas verdes recreativas, estacionamientos y vialidades , que no estén autorizados y convenidos con la CFE, esta quedará exenta de cualquier responsabilidad jurídica.

5.3 Parámetros que Influyen en la Determinación del Ancho del Derecho de Vía

El ancho del derecho de vía está integrado por el doble de la suma de las siguientes distancias: separación horizontal mínima eléctrica de seguridad (distancia A); proyección horizontal de la flecha del conductor y de la longitud de la cadena de aisladores de suspensión (en su caso), según el ángulo de oscilación que produce la presión del viento (distancia B); del eje de la estructura al conductor extremo en reposo (distancia C); (véase figura 2). Estos parámetros varían de acuerdo con: la tensión eléctrica nominal, el calibre del conductor, la magnitud de la presión del viento, el tipo de estructura, la zona y la altitud respecto al nivel del mar en que se ubique la línea aérea de transmisión de energía eléctrica.

FIGURA 2 – Integración del derecho de vía

Donde: A = Separación horizontal mínima de seguridad (véase 5.5.2)

B = Proyección horizontal de la flecha más cadena de aisladores (véase 5.5.2)

C = Distancia del eje de la estructura al conductor externo en reposo (véase 5.5.2)

La = Longitud oscilante de la cadena de aisladores f16 °C = flecha final 16 °C

Ancho del derecho de vía = 2 (A + (La + f16 °C ) sen + C)

DERECHO DE VÍA NORMA DE REFERENCIA

NRF-014-CFE

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5.4 Tipos de Derechos de Vía

Para aplicar esta norma de referencia y efectuar el cálculo del derecho de vía requerido, debe considerarse la zona en que se localice la línea aérea.

a) Derecho de vía en zona urbana.

b) Derecho de vía en zona rural.

Además de considerar el tipo de terreno donde pasa la línea aérea.

a) Terreno plano.

b) Terreno montañoso o con lomas.

5.5 Determinación del Ancho del Derecho de Vía

5.5.1 Aplicación

Los requisitos de esta sección se refieren a la separación de los conductores energizados desnudos, cables de guarda con o sin fibras ópticas, mensajeros, retenidas y neutros, de una línea con respecto a edificios, construcciones, árboles y cualquier otro obstáculo.

En el caso de líneas de doble circuito donde el alcance de utilización sea de un solo lado, el ancho del derecho de vía se debe considerar a partir del eje del circuito.

5.5.2 Ancho del derecho de vía

La sumatoria de las distancias A+B+C, multiplicado por 2, es el ancho del derecho de vía, es decir:

2*(A+B+C)

TABLA 1 – Valores del ancho de derecho de vía

Distancia C

Tensión (kV)

Distancia A+B (m)

Un circuito (horizontal)

(m)

1 o 2 circuitos (vertical)

(m)

Ancho del derecho de vía

(m)

115 6 4 ------ 20 230 8 8 ------ 32 400 9 12 ------ 42

115 6 ------ 3,25 18,50 230 8,5 ------ 5 26 400 9 ------ 9 36

NOTA: a) Valores aplicados para altitud hasta 1 000 m b) Para líneas de subtransmisión de 138 kV se

consideran las mismas distancias que para 115 kV

En la tabla 2 se enumeran los tipos de torres que se contemplan en la tabla 1.

Para tensiones de 85 kV y 69 kV se deben aplicar los valores que aparecen en las tablas 3 y 4.

Para las estructuras que no se contemplen en las tablas 2, 3 y 4, es necesario aplicar las fórmulas que aparecen en el Apéndice A.

TABLA 2 - Tipos de estructuras consideradas en el párrafo 5.5 para la determinación del

derecho de vía

Tipo de estructura

Un solo circuito Dos circuitos

1151B1, 1C1, 1M1, TASGP, TAS

TASG2P, TAS2P

230 2B1, 2M1 2B2, 2M2, 2S2, 2D2

400AM, BM, A, B, 4BA1, 4BB1, 4BC1

4EA2, 4EB2, 4A23, 4CT23

5.6 Terrenos Inclinados y Terrenos en Zonas Conflictivas

5.6.1 Terreno con pendiente transversal al eje del trazo topográfico

En terrenos con pendiente transversal al trazo del eje de la línea, el ancho del derecho de vía corresponde a la proyección horizontal del terreno, es decir, la dimensión a medir sobre el terreno, debe ser la que resulte de dividir el ancho calculado del derecho de vía, entre el coseno del ángulo de inclinación del terreno respecto a la horizontal.

5.6.2 Terrenos en zonas conflictivas

En terrenos urbanos, rurales o forestales con serios problemas para la obtención del derecho de vía, es factible aplicar, previo estudio técnico-económico, medidas con objeto de reducir en lo posible el ancho necesario para el paso de la línea.

Tensión (kV)

Tema de Lineas y La Nom-001-Sede

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