Todo Sobre

de Alta Tensión

Universidad de Chile, Departamento de Ingeniería Eléctrica.

Abstract: las líneas de alta tensión, por

causas ambientales, se ven sometidas a

esfuerzos mecánicos en todos sus

componentes. Los conductores,

torres y ferreterías, se ven tensionados en

distintas direcciones cuando el viento

choca contra la superficie de todos ellos.

En particular, la fuerza del viento sobre los

conductores puede provocar vibraciones en

estos, las cuales pueden tener efectos

mecánicos considerables.

En este paper, se estudian dos tipos

de vibraciones que se dan en los

conductores de las líneas de alta tensión.

El primer tipo de oscilaciones son las de

alta frecuencia, las cuales pueden provocar

fatiga y daño en las hebras de los

conductores. El segundo tipo es el

conocido efecto galloping el cual es

provocado por la acción del viento y la

formación de hielo en los conductores y,

de ser excesivo, puede provocar daños

importantes en una línea de AT.

En ambos casos, se estudi

orígenes físicos de las vibraciones

muestran los efectos prácticos, y se

exponen las tecnologías existentes para

prevenir daños desde el punto de vista del

diseñador de las líneas.

I. Vibraciones de Alta Frecuencia

I.1 Origen Físico

Supongamos un viento

en dirección horizontal que golpea

conductor de una línea de transmisión.

Todo Sobre Vibraciones en Líneas

de Alta Tensión Pablo Jiménez Pinto.

Universidad de Chile, Departamento de Ingeniería Eléctrica.

Taller de Proyectos II.

las líneas de alta tensión, por

causas ambientales, se ven sometidas a

esfuerzos mecánicos en todos sus

aisladores,

as, se ven tensionados en

distintas direcciones cuando el viento

de todos ellos.

En particular, la fuerza del viento sobre los

conductores puede provocar vibraciones en

estos, las cuales pueden tener efectos

paper, se estudian dos tipos

de vibraciones que se dan en los

conductores de las líneas de alta tensión.

El primer tipo de oscilaciones son las de

pueden provocar

fatiga y daño en las hebras de los

conductores. El segundo tipo es el

el cual es

provocado por la acción del viento y la

formación de hielo en los conductores y,

de ser excesivo, puede provocar daños

En ambos casos, se estudian los

orígenes físicos de las vibraciones, se

ran los efectos prácticos, y se

exponen las tecnologías existentes para

prevenir daños desde el punto de vista del

Vibraciones de Alta Frecuencia

moderado

en dirección horizontal que golpea el

conductor de una línea de transmisión.

Supongamos además por simplicidad

la línea está configurada con un

conductor por fase.

Al chocar el viento con la sección

circular del conductor, el líneas de flujo

del viento se curvan haciendo que al l

contrario del choque se produzca un

vórtice (como en el lavamos

nuevamente las líneas de flujo. Ver la

siguiente figura:

La posición y sentido del vórtice

son muy inestables y, debido a las

perturbaciones naturales del viento,

cambian de arriba abajo alternadamente, y

así también cambia el sentido de giro del

vórtice. Esta variación en la p

sentido de giro del vórtice produce fuerzas

alternas sobre el conductor, es decir, un

vibración mecánica. La fuerza ocurre en la

dirección vertical (si el viento es

horizontal) y se transmite a lo largo de

todo el conductor. La frecuencia de estas

vibraciones están generalmente en

de 5 a 60 Hz. Las amplitudes son

imperceptibles al ojo humano y se

dañinas para el conductor cuando son

comparables con el diámetro del

conductor.

Líneas

Universidad de Chile, Departamento de Ingeniería Eléctrica.

por simplicidad que

la línea está configurada con un solo

Al chocar el viento con la sección

, el líneas de flujo

ciendo que al lado

contrario del choque se produzca un

o en el lavamos) al juntarse

e las líneas de flujo. Ver la

posición y sentido del vórtice

s y, debido a las

naturales del viento,

alternadamente, y

así también cambia el sentido de giro del

vórtice. Esta variación en la posición y

sentido de giro del vórtice produce fuerzas

alternas sobre el conductor, es decir, una

ibración mecánica. La fuerza ocurre en la

dirección vertical (si el viento es

transmite a lo largo de

uencia de estas

generalmente en el rango

amplitudes son

no y se vuelven

dañinas para el conductor cuando son

comparables con el diámetro del

La siguiente figura muestra

formación del vórtice al chocar el viento

contra un cilindro, analizado en un túnel de

viento:

I.2 Efecto en las Líneas AT

Puede ocurrir que las amplitudes de

estas vibraciones sean considerablemente

altas, provocando que el conductor se

flecte alternamente en una dirección y

en el plano vertical. En los puntos en que

el conductor está suportado por los

aisladores, la curvatura en que se flecta el

conductor es más pronunciada

periodicidad del movimiento, las hebras

del conductor se calienta, fatigan, y

eventualmente se cortan. Ver la siguiente

figura:

Al cortarse una o varias hebras

conductor, se forman puntos calientes que

se traducen en pérdidas óhmicas en la l

de transmisión. Además de disminuir las

capacidades de tensión mecánica del

conductor.

Además de producirse daños en las

hebras de los conductores, se produce

fatiga en las ferreterías que soportan los

siguiente figura muestra la

car el viento

, analizado en un túnel de

que las amplitudes de

estas vibraciones sean considerablemente

altas, provocando que el conductor se

en una dirección y otra

En los puntos en que

do por los

aisladores, la curvatura en que se flecta el

y, dada la

periodicidad del movimiento, las hebras

del conductor se calienta, fatigan, y

eventualmente se cortan. Ver la siguiente

Al cortarse una o varias hebras del

se forman puntos calientes que

se traducen en pérdidas óhmicas en la línea

de transmisión. Además de disminuir las

capacidades de tensión mecánica del

s de producirse daños en las

los conductores, se produce

fatiga en las ferreterías que soportan los

conductores. Por ejemplo, la siguiente

figura muestra el daño causado por las

vibraciones de alta frecuencia en dos

soportes U que fueron utilizados en una

línea de AT por 6 años:

III. Formas de Amortiguación

El diseñador de la configuración

mecánica de la línea debe tener en

consideración la prevención de

oscilaciones de alta frecuencia p

daños que se mencionaron.

Para reducir la amplitud de las

vibraciones de alta frecuencia se utilizan

amortiguadores stockbridge

muestra en la figura siguiente:

La ubicación óptima de los

amortiguadores es un tema abierto y no

resuelto del todo. En la figura anterior se

muestra una configuración asimétrica que

busca cambiar la frecuencia de oscilación

propia de los conductores.

Cuando se utilizan más de un

conductor por fase, se pueden utilizan

separadores no rígidos o separadores

amortiguadores. Estos separadores, a

conductores. Por ejemplo, la siguiente

el daño causado por las

vibraciones de alta frecuencia en dos

soportes U que fueron utilizados en una

Amortiguación y Monitoreo

El diseñador de la configuración

mecánica de la línea debe tener en

onsideración la prevención de

frecuencia por los

Para reducir la amplitud de las

vibraciones de alta frecuencia se utilizan

stockbridge, como se

muestra en la figura siguiente:

icación óptima de los

amortiguadores es un tema abierto y no

resuelto del todo. En la figura anterior se

a una configuración asimétrica que

sca cambiar la frecuencia de oscilación

Cuando se utilizan más de un

conductor por fase, se pueden utilizan

o separadores

amortiguadores. Estos separadores, a

diferencia de los separadores rígidos,

permiten un movimiento relativo entre los

subconductores de cada fase por medio de

resortes y/o gomas. Están calculados para

que se disipe energía en este movimiento

relativo, lo cual se traduce en una

amortiguación de las vibraciones de alta

frecuencia. Un ejemplo de separador

amortiguador (spacer dampers en inglés)

para un haz de 3 subconductores y otro

para 4 subconductores se muestran a

continuación:

Cabe señalar que es mucho más

difícil predecir las vibraciones de alta

frecuencia cuando se utilizan varios

subconductores por fase. Para ello se

proponen constantemente modelos

matemáticos para predecir con mayor

exactitud estas oscilaciones en los

conductores.

Además de hacer las

consideraciones pertinentes en el diseño

mecánico de las líneas, se han

desarrollados equipos de monitoreo de

vibraciones de conductores. Estos equipos

se instalan generalmente colgando de los

conductores y registran las frecuencias,

amplitudes y periodicidad de las

oscilaciones de los conductores. A partir

de estos datos se puede evaluar el

desempeño de los sistemas de

amortiguamiento y, eventualmente, hacer

modificaciones en su diseño. Un ejemplo

de estos equipos se muestra en la siguiente

figura:

II. Vibraciones de Baja Frecuencia

II.1 Origen Físico

Las vibraciones de baja frecuencia

en las líneas de AT, conocidas como

galloping, se produces en líneas de AT

aéreas de uno o varios conductores por

fase por efecto del viento y la formación

de hielo sobre los conductores.

Cuando se forma hielo sobre los

conductores, se modifica el perfil

transversal originalmente circular del

conductor. El nuevo perfil presenta formas

irregulares que suelen ser

aerodinámicamente inestables. Esto

provoca que ante un viento transversal

constante, de cierta velocidad, se

produzcan oscilaciones mecánicas de los

conductores de amplitudes considerables

fácilmente detectables por el ojo humano.

Las frecuencias de estas

oscilaciones típicamente son de entre 0.15

a 1.0 Hz. Generalmente, pero no siempre,

las oscilaciones son en el plano vertical y

las amplitudes pueden llegar hasta la

distancia entre conductores de dos fases

distintas. El viento necesario para provocar

este efecto es del orden de 7 m/s o

superior.

II.2 Efectos en Líneas de AT

En una primera etapa, el galloping

puede provocan que conductores de

distintas fases se acerquen demasiado

provocando corto circuitos entre dos o más

fases. Esto, en el mejor de los casos,

repercute en una interrupción del

suministro por la operación de las

protecciones de la línea.

En un caso más extremo, el

galloping puede ser de una amplitud tal

que los esfuerzos dinámicos en las cadenas

de aisladores supere la resistencia

mecánica de estos provocando que uno o

más aisladores se rompa. Esto repercute en

una interrupción de suministro de hasta

varias horas debido a lo que significa

cambiar un aislador en una línea de AT.

En el peor de los casos, el

galloping puede provocar que las

oscilaciones se transmitan a las torres con

una amplitud y frecuencia tal que todo el

sistema resuena mecánicamente resultando

en la destrucción de una o varias

estructuras. La foto que se muestra a

continuación muestra la caída de varias

torres de AT.

La foto que se muestra a

continuación da cuenta de la caída de

varias torres de una línea de AT en

Quebec, Canadá en 1998 producto de una

tormenta de hielo y viento:

Cabe mencionar que en Chile

nunca se ha producido la caída de una torre

de AT por causas no intencionales, lo cual

habla por sí solo de la buena calidad de la

ingeniería de alta tensión nacional.

II.3 Métodos para evitar el Galloping

Actualmente, existen distintos

métodos para reducir el galloping en las

líneas de AT. La mayoría de los métodos

consisten en instalar dispositivos que

amortiguan las oscilaciones ya sea

disipando energía (amortiguadores

propiamente) o cambiando las frecuencias

de oscilación propias de las líneas.

Entre los amortiguadores, los más

utilizados son los de tipo stockbridge

como el que se muestra a continuación:

El amortiguador stockbridge está

formado por una mordaza que lo sujeta al

conductor. Luego tiene un eje flexible

horizontal que sostiene dos masas. Los hay

del tipo simétricos y asimétricos, con

masas iguales y distintas, respectivamente.

En general, los simétricos tienden a

crear un nodo en su posición, es decir, un

punto que permanece estático. Su

rendimiento se hace menos efectivo a

medida que la oscilación del conductor se

acerca a la frecuencia propia del

amortiguador. También su rendimiento se

ve disminuido cuando el conductor mueve

muy fácilmente el amortiguados

(amortiguador muy liviano en

comparación con el conductor).

Los amortiguadores asimétricos

tienen pesos distintos a cada lado. En

general, cuando se disponen a distancias

distintas de la cadena de aisladores,

tienden a hacer la respuesta en frecuencia

de la línea más plana (respuesta en

frecuencia mecánica).

Otros mecanismos para suprimir

las oscilaciones tipo galloping son los

amortiguadores aerodinámicos. Estos

amortiguadores funcionan generando una

torsión a partir de la fuerza que el viento

ejerce sobre ellos. Esta torsión hace que el

conductor se gire sobre sí mismo haciendo

que todo el perfil del conductor sea

expuesto al viento. De esta manera, las

formas irregulares del perfil del conductor

producto de la formación de hielo anulan

su efecto aerodinámico ya que en el largo

de un vano se tiene casi todo el perfil del

conductor expuesto hacia el viento. En la

imagen se muestra uno de estos

amortiguadores aerodinámicos para haces

de dos subconductores por fase, que

también sirven como espaciadores:

Salvo estos espaciadores

amortiguadores aerodinámicos, en general,

los espaciadores amortiguadores no rígidos

que se utilizan para amortiguar las

oscilaciones de alta frecuencia, no sirven

para evitar el galloping ya que están

diseñados para disipar energía a una

frecuencia mucho mayor a las de

galloping.

Otros métodos más innovadores

para atenuar las oscilaciones por galloping

se han desarrollado. Entre ellas se pueden

mencionar otros amortiguadores

aerodinámicos que se oponen al

movimiento de los conductores mediante

una fuerza aerodinámica que se acomoda a

la dirección en que se mueve el conductor.

En conclusión, el problema del galloping

es un tema aun abierto.

Referencias

[1] Wang, Lilien, OVERHEAD

ELECTRICAL TRANSMISSION LINE

GALLOPING, IEEE Transactions on

Power Delivery, Vol. 13, No. 3, July 1998

[2] http://www.arproducts.org

[3] http://www.havardengineering.com