FUNDAMENTOS PARA LÍNEAS DE TRANSMISIÓNCarlos V.. Chávez Q.. C ar l os V C h áv ez Q Mayra V.. Per eiira C.. M ay r a V Per e r a C Wiilm er Ménd ez W lm er Ménd ez Héctor Torr es Héctor Torr es Capítulo I Rutas para Líneas de Transmisión ³Los ojos ven y los oídos oyen, la mente piensa´ Harry Houdini Cap. I. Ruta para Líneas de Transmisión. Pág. 2 Introducción El proceso de diseño de una línea de transmisión implica una gran cantidad de cálculos, a partir de la información de entrada, para verificar el diseño según criterios establecidos, que consisten en combinaciones de condiciones ambientales por donde va a cruzar la línea, con estados de las estructuras y de los conductores que representan las deformaciones a lo largo de su vida útil. La información incluye el levantamiento topográfico con sus obstáculos y accidentes, libramientos reglamentarios que se deben respetar, parámetros de los cables, tipos y tamaños de las estructuras y los criterios de diseño. Los criterios constituyen los ejes fundamentales a partir de los cuales el decisor justifica, transforma y argumenta sus preferencias, su selección es sumamente importante en cualquier proceso de toma de decisiones, ya que un planteamiento inadecuado puede llevar a resultados no satisfactorios o invalidar el proceso. En el presente informe mostraremos algunas de las consideraciones que deben ser tomadas en cuenta al momento de evaluar y decidir acerca de la ruta para una línea de transmisión, la cual pasa por largo proceso de estudio que incumbe a diferentes áreas del conocimiento y de las cuales el Ingeniero debe estar al tanto para poder seleccionar de forma adecuada la mejor ruta. Cap. I. Ruta para Líneas de Transmisión. Pág. 3 EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS Al llegar al punto de la evaluación de las alternativas lógicamente se han cumplido una serie de pasos previos a este análisis que será el definitivo para la toma de la decisión final. El proceso de estudio de ruta se puede presentar en el siguiente diagrama de bloques: Estudio de Ruta Fig. 1 Diagrama en Bloques Estudio de Ruta Cap. I. Ruta para Líneas de Transmisión. Pág. 4 Las diferentes alternativas, previamente identificadas son evaluadas desde el punto de vista cuantitativo y cualitativo para evaluar el impacto económico, técnico y ambiental de cada unas de las alternativas de las consideradas. En consecuencia, los diferentes parámetros deberán ser definidos por cada uno de los criterios anteriores que enmarcan el proceso de la toma de selección. Criterios para selección de ruta: Para la definición de los criterios, se propone establecer una jerarquía de objetivos, lo cual consiste en especificar los objetivos fundamentales de alto nivel que el decisor pretende alcanzar y los objetivos más concretos y detallados de bajo nivel, cuidando no caer en la excesiva proliferación de jerarquías en sentido horizontal y vertical. A cada nivel de la jerarquía de objetivos se puede asociar un atributo, que cuantifica el grado de cumplimiento del objetivo correspondiente, de manera que cada atributo cumpla con las siguientes propiedades: Comprehensibilidad: el valor del atributo ha de ser adecuado para expresar o medir el grado de cumplimiento del objetivo asociado. Medibilidad: el atributo es medible cuando es posible asociar a los distintos niveles una escala conocida. La elección del atributo adecuado para cuantificar el objetivo asociado será tanto más fácil, cuanto más claro y mejor definido esté este objetivo. Muchas veces, el atributo se puede medir mediante una escala objetiva; es decir, una escala conocida y comúnmente aceptada, de forma que sus diferentes niveles se pueden medir, sin embargo algunas veces hay atributos que no se pueden medir o evaluar mediante este tipo de escalas y hay que construir una escala subjetiva; en este caso el decisor se ve obligado a realizar una valoración cualitativa del atributo y posteriormente construir una escala subjetiva para esa valoración, para sortear esta dificultad, es posible utilizar también, atributos indirectos o aproximativos. Cap. I. Ruta para Líneas de Transmisión. Pág. 5 Un atributo indirecto es aquel que refleja el grado en el cual un objetivo asociado se alcanza midiendo indirectamente el logro del objetivo. La construcción de los criterios para jerarquizar los objetivos, depende de la unidad de decisión, del tipo de problema y del entorno, lo que hace que la jerarquía de objetivos no sea única. Existen muchos factores que limitan la objetividad en la selección de los objetivos y de los atributos que los cuantifican, principalmente durante la construcción de la jerarquía de objetivos, en la selección de los atributos y en la forma de cuantificar y asignar escalas. Es necesario que todos los actores que intervienen en el proceso de toma de decisiones reúnan las siguientes características para que sea más fácil lograr el consenso: 1. Conocer con profundidad el problema y por tanto ser capaces de generar los criterios más adecuados. 2. Tener entera libertad de opinar y colaborar en la generación de criterios. 3. Entender y aceptar la jerarquía de objetivos y los atributos asociados una vez que se haya analizado por todos los actores y alcanzado un consenso. 4. El método de evaluación de las distintas alternativas respecto a cada criterio, debe ser entendido y aceptado por todos los actores implicados en el problema y liberado de elementos asociados a valores subjetivos. 5. Tener en cuenta la calidad de los datos utilizados en la generación de los criterios, analizando los elementos de imprecisión, incertidumbre o inadecuada determinación de los mismos. Cap. I. Ruta para Líneas de Transmisión. Pág. 6 Criterio económico Es uno de los más importantes a tomar en cuenta sobre todo en los países no avanzados en donde este criterio prácticamente prevalece sobre los demás, debido a que determina el posible valor monetario que puede llegar a invertirse para la llevar a cabo un proyecto de esta magnitud, pero sin embargo en países desarrollados y con políticas claras sobre los estudios necesarios para llevar a cabo estos proyectos legislan y ejercen control mediante el Estado para prevenir que este criterio este por encima de los demás. Mediante este criterio se toma en cuenta el gasto por kilometro de línea, para los diferentes parámetros de evaluación que se consideran a continuación: Costo de estructuras. Costo de fundaciones. Costo del conductor, cable de guarda, aisladores, herrajes y accesorios. Estimación de requisitos de acceso y casta para la construcción de la línea. Evaluación del uso de técnicas especiales para la construcción y equipos (helicópteros, vehículos de doble tracción, requisitos especiales para la construcción de fundaciones, etc.) Costos involucrados Costo de deforestación tanto en el derecho de paso de línea como en la construcción de nuevas vías de acceso. Costo de la tierra y bienechurias en el área del derecho de paso de la línea. Costo de las pérdidas de potencia y energía. Cap. I. Ruta para Líneas de Transmisión. Pág. 7 Criterio Técnico o de Evaluación de Ingeniería Mediante este criterio se consideran aquellos que afectan el impacto de ingeniería y construcción del proyecto de la línea. El más importante para el Ingeniero Eléctrico ya que en el va emplear todos los conocimientos por él adquirido a través de sus estudios y de su experiencia profesional, debido a que aquí se analizaran y diseñaran los elementos de la ruta, torres, conductores, aisladores, entre otros. Los parámetros a considerar en este criterio son los siguientes: El vano promedio en los segmentos de la línea. Vanos largos requeridos por la configuración del terreno. Altura promedio se las estructuras a utilizar. Estructuras de altura especial requeridas, debido a cruces de obstáculos físicos incluyendo líneas de transmisión existente, además de problemas de montaje y corte de servicios. Tipos de suelos, en general: rocosos, normales, arenosos, arcillosos, cenagosos, etc. Paralelismo con instalaciones existentes, tales como línea de transmisión, líneas de distribución, caminos, carreteras, vías férreas, oleoductos, etc. Posibilidades de erosión y corrosión en los sitios de ubicación de estructuras y evaluación de los requisitos de los métodos requeridos para minimizar o eliminar los riesgos para la línea. Condiciones especiales de cruces tales como ríos, lagunas, lagos grandes ciénagas, etc. Tipos de vegetación a ser cortada y requerimientos especiales para la deforestación. Potencial de movimientos sísmicos. Condiciones críticas en laderas de montaña. Cap. I. Ruta para Líneas de Transmisión. Pág. 8 Condiciones isoceraénico. climáticas: Velocidad de viento, temperatura, nivel Riesgos de retardo en la construcción. Condiciones del terreno inundaciones, inestabilidad. Seguridad de la línea, vandalismo, sabotaje. Requerimientos de vías de acceso para la construcción, operación y mantenimiento de la línea de transmisión. Esto incluye el uso de vías existentes y derechos de paso de otras Líneas, construcción de nuevas vías de acceso, remoción de rocas y vegetación requerida y cualquier otro aspecto desde el punto de vista de ingeniería relacionado con los accesos a la línea. · Evaluación de cruces de terrenos cultivables. Problemas con la quema, fumigación, etc. Tipos de contaminación existente. Niveles a considerar (ligero, moderado, severo, etc.) Interferencia electromagnética. Rayos. Sistema de Información Geográfica (SIG o GIS) Estudios de fallas. Cualquier otra condición especial que pueda afectar la línea. Cap. I. Ruta para Líneas de Transmisión. Pág. 9 Criterio de Evaluación Ambiental Actualmente es uno de los estudios o criterios que más énfasis requiere, debido a la amplitud que puede contener. Mediante este criterio se evalúa el impacto que pueda tener la presencia de la línea sobre el medio ambiente. Los factores involucrados en este criterio pueden resumirse como ecológicos, ambientales, estéticos y sociales. Principalmente se consideran los siguientes parámetros: Ecológicos: Tipo de vegetación o cultivo cruzado por la línea. Bosques, prados, sabanas, terrenos no productivos. Habita de animales salvajes. Deforestación y reforestación. Especies raras o en peligro de extinción. Creación de nuevos ecosistemas. Suelos formación geológicas tipos de suelos, estabilidad de los suelos, topografías, erosión potencial del suelo. Etc. Ambientales: Sistemas de comunicaciones existentes o propuestas. Radio, TV, y torres de microondas. Sistemas de transmisión existente o propuesta. líneas aéreas de alta tensión de AC, DC y sistemas subterráneos de transmisión. Circuitos eléctricos existentes, de ferrocarriles y telefónicos. Uso actual de la tierra. Agrícola, mineros, residenciales, etc. Oleoductos y gasoductos existentes o propuestos. Ordenamientos al ruido audible Ordenanzas sobre niveles de ozono. Cap. I. Ruta para Líneas de Transmisión. Pág. 10 Legislación sobre zonas protegidas. Materiales peligrosos. Campos eléctricos y magnéticos. Estético Visuales: tipo y extensión de parques, áreas recreacionales, vistas panorámicas, carreteras, autopistas, sitios históricos, monumentos naturales, reservas arqueológicas etc. Hidrológicos: quebradas ríos, ciénagas, lagos, lagunas, etc. Sociales Uso de tierra existentes o propuesto: comercial, residencial, industrial, recreacional, agrícola, instituciones publicas, ordenanzas de zonificación, etc. Población estimada. Crecimiento industrial estimado. Datos económicos del área. Estilo de vida actual del área. Cap. I. Ruta para Líneas de Transmisión. Pág. 11 Cuantificación Del Impacto Debido A Los Diferentas Parámetros Los diferentes parámetros, definidos para cada uno de los criterios son evaluados de acuerdo a costos unitarios de referencia, de estructuras, fundaciones, aisladores, conductor, etc. Como en el caso del criterio económico mientras en el caso del criterio de ingeniería y el ambiental los parámetros deberán ser penalizados de acuerdo a cierta escala numérica que puede ir desde +10 (mayor ventaja) a -10 (mayor desventaja) para poder ser cuantificado su impacto, el cual puede ser realizado sobre una base lineal (por KM) o una base puntual (Por unidad.) SELECCIÓN FINAL DE LA RUTA Análisis Cuantitativo Las diferentes alternativas de ruta serán comparadas y ordenas en base a la evaluación llevada a cabo antes. Los valores individuales para cada parámetro de comparación involucrado, deberán ser revisados para determinar que factores, para cada una de las alternativas de ruta son muy bajos o muy altos en comparación con la alternativas restantes. Esta revisión evitara que debido a la sobrevaloración de cualquiera de los parámetros, se determine erróneamente la alternativa óptima para la ruta de la línea. Esta metodología propuesta requiere la combinación de C, utilizando como base los índices combinados. Para obtener esta evaluación compuesta de índices, en nuestro estudio, como primer paso se calcula el ³beneficio ambiental´ de cada alternativa de ruta. El beneficio ambiental (B) es el reciproco del Índice Ambiental. Este concepto nos muestra que una ruta con un alto Índice Ambiental ( A) tiene un alto impacto en el medio ambiente y por lo tanto tiene un bajo beneficio para el área. Usando la I, A en una manera lógica para permitir la evaluación de cada una de las alternativas de ruta, Cap. I. Ruta para Líneas de Transmisión. Pág. 12 relación: B = 1/ A, la cantidad (B) se calcula y tabula para cada una de las alternativas. Considerando que cuando A es máximo B es mínimo y viceversa se establece un orden de mejor o peor alternativa en base al beneficio ambiental (B). El segundo paso es calcular la razón, Costo Beneficio (CB) teniendo la relación CB = C/B. Para cada alternativa cuando C el máximo y B es mínimo, CB es máximo y viceversa. Esta relación provee una base adicional para establecer un orden y comparación. Como paso final se combina la razón Costo Beneficio (CB) con el índice de Ingeniería ( I) para obtener el Índice Compuesto CI = CM ( I) para cada una de las alternativas. Cuando CB es máximo y I es máximo, CI es máximo y viceversa. Con esto obtenemos una base final para comparación y ordenamiento en base al Índice Compuesto (CI). Es obvio que CI = ( C) ( A) ( I) puede haber sido calculado directamente. Sin embargo, los cálculos intermedios de B y CB permiten una base adicional para una comparación detallada de las alternativas de ruta. Utilizando el computador estos resultados ( C, I, A, B, CB), se obtendrían directamente en los mapas tal como se muestra en la figura Cada una de las alternativas de ruta es ordenada de uno (1) a treinta y cuatro (34) basados en cada una de las seis cantidad tabuladas. Los valores mínimos de C, I, A, CB y CI son asignados con los valores de orden más bajo y secuencialmente los valores mayores se corresponderán con los máximos valores de orden. Análisis cuantitativo de Impacto Ambiental Por medio de la Lógica Difusa se plantean nuevas evaluaciones de Impacto Ambiental que puedes ser Simplificada o Detallada según se omitan o no las fases, las cuales podemos ver en el siguiente diagrama: Cap. I. Ruta para Líneas de Transmisión. Pág. 13 Fig. 2 Estructura general de una Evaluación de Impacto Ambiental, modificada de Duarte (2000) En la fase de Valoración Cuantitativa, la información obtenida en la Valoración Cualitativa se complementa con estudios técnicos más detallados; estos estudios deben permitir hacer una predicción numérica de cada uno de los impactos individuales (a diferencia de la predicción lingüística empleada en la fase previa), que luego deberá agruparse para obtener una predicción numérica del impacto total. Análisis Cualitativo Las rutas alternativas de la línea en su orden, deberán ser comparadas para determinar la existencia de deficiencias no determinadas previamente en la rutas. Deberá realizarse una inspección final terrestre, y área en caso de ser Cap. I. Ruta para Líneas de Transmisión. Pág. 14 necesario, en las alternativas de ruta que se consideren las mejores es conveniente que esta inspección sea hecha por los mismos ingenieros que hicieron la evaluación inicial de los segmentos de línea. El estudio del impacto ambiental con respecto a la etapa de Valoración Cualitativa busca obtener una estimación de los posibles efectos que recibirá el medio ambiente, mediante una descripción lingüística de las propiedades de tales efectos. Tal como se explicará en los siguientes apartados, los expertos deben catalogar ciertas variables con etiquetas tales como ³Baja´ o ³Media´ y a partir de esa información se obtiene un conocimiento cualitativo del impacto. La metodología puede resumirse en los siguientes pasos, que se detallan a continuación: Describir el medioambiente como un conjunto de factores medioambientales. Describir la actividad que se evalúa como un conjunto de acciones. Identificar los impactos que cada acción tiene sobre cada factor medioambiental. Caracterizar cada impacto mediante la estimación de su Importancia. Analizar la importancia global de la actividad sobre el medio, utilizando para ello las importancias individuales de cada impacto. Matriz de Importancia Una vez determinados los factores y las acciones se procede a identificar los Impactos que estas últimas tienen sobre los primeros. Los expertos del equipo interdisciplinar deben determinar la Importancia de cada efecto, siguiendo la metodología que quedará consignada en la Matriz de Importancia del proyecto, y cuya estructura se muestra en la Tabla 1. Las filas corresponden a los factores y Cap. I. Ruta para Líneas de Transmisión. Pág. 15 las columnas corresponden a las Acciones. En la celda ij de la Matriz se consigna la Importancia Iij del impacto que la acción Aj tiene sobre el factor Fi (que tiene Pi Unidades de Importancia). La fila y la columna marcadas como Totales se emplean para agregar la información correspondiente a una determinada acción o factor respectivamente. Tabla Nº 1 Matriz Importancia Cada Impacto podrá clasificarse de acuerdo a su importancia I como: Irrelevante o Compatible: 0 I < 25 Moderado : 25 I 50 Severo : 50 I 75 Crítico : 75 I Nótese que aunque se pretende que la importancia sea una medida cualitativa, en realidad se calcula cuantitativamente, asignando para ello números enteros a cada una de las etiquetas recogidas en la Tabla 2. La descripción Cap. I. Ruta para Líneas de Transmisión. Pág. 16 cualitativa de la metodología crisp en realidad es una descripción cuantitativa basada en números enteros. Tabla Nº 2 Etiquetas y valor cuantitativo. Lógica Difusa Una vez calculada la Importancia de cada uno de los Impactos, y consignados estos valores en la Matriz de Importancia, se procede al análisis del proyecto en su conjunto; para ello se efectúa, como paso preliminar, una depuración de la matriz, en la que se eliminan aquellos impactos : Cap. I. Ruta para Líneas de Transmisión. Pág. 17 Irrelevantes, es decir aquellos cuya importancia está por debajo de un cierto valor umbral. Que se presentan sobre factores intangibles para los que no se dispone de un indicador adecuado. La metodología crisp especifica que estos efectos deben contemplarse en forma separada, pero pese a ello no se aclara en qué forma debe hacerse; estos efectos no se incluyen en la matriz depurada porque la metodología crisp no tiene herramientas adecuadas para su análisis. Extremadamente severos, y que merecen un tratamiento específico. Generalmente se adoptan alternativas de proyecto en donde no se presenten estos casos, por esta razón al eliminarlos no se está sesgando el análisis cualitativo global. El paso siguiente es la valoración cualitativa del Impacto Ambiental Total, que se obtiene mediante un análisis numérico de la Matriz de Importancia depurada consistente de sumas, y sumas ponderadas por UIP de las importancias. Las sumas se realizan por filas y por columnas. Nuevamente se observa que la valoración cualitativa de la metodología crisp consiste en un tratamiento cuantitativo basado en números enteros. La suma ponderada por columnas permitirá identificar las acciones más agresivas (valores altos negativos), las poco agresivas (valores bajos negativos) y las beneficiosas (valores positivos). Las sumas ponderadas por filas permitirán identificar los factores más afectados por el proyecto. Al comparar los resultados que se obtienen en situaciones diferentes, podrá hacerse una valoración cualitativa de las distintas alternativas de proyecto. Evaluación Multi-criterio de Alternativas Cap. I. Ruta para Líneas de Transmisión. Pág. 18 Es importante que todo proyecto tenga distintas alternativas de ejecución, como por ejemplo distintos trazados de una carretera o diferentes métodos de obtención de un producto, etc.. El proceso de elección de la mejor alternativa estaría condicionado por el conjunto de metas y objetivos fijados en el proyecto (criterios de selección). El proceso multi-criterio de evaluación de alternativas comprende las siguientes fases: Selección de Criterios respecto a los cuales se valorarán las alternativas. Estos criterios pueden ser de carácter económico (Coste de ejecución, Coste Medidas Correctoras, Rentabilidad Económica), sociales, eficiencia ambiental (Importancia del Impacto, Magnitudes de los efectos), y cualquier información del estudio de impacto que resulte útil. Valoración de las Alternativas, de acuerdo con cada uno de los criterios establecidos, se obtiene esta información ya sea de los distintos estudios o bien de información contenida en la propia. Asignación de Pesos. Determinar la importancia relativa de cada criterio de selección en el proceso de elección de la mejor o mejores alternativas de ejecución del proyecto. Determinación del Método de Decisión. Escoger el método entre el conjunto de métodos multi-criterio disponibles. Obtención de Parámetros. Determinación según el método, de los parámetros necesarios para su aplicación como por ejemplo, el umbral de concordancias, funciones de preferencia por cada criterio, etc. Estos parámetros deben ser proporcionados por el que tomará la decisión. Obtención de la Información. Una vez aplicado el método de decisión multicriterio, se obtendrá la mejor, las mejores o una ordenación del conjunto de alternativas de ejecución. Cap. I. Ruta para Líneas de Transmisión. Pág. 19 Proceso de Estudio y Análisis. El decisor analizar la ayuda que proporciona los métodos de decisión, y puede elegir entre: o Escoger que una alternativa determinada. o Modificar los parámetros y pesos, para obtener más ayuda al problema de decisión. o Modificar los criterios de selección. o Escoger otro método de decisión multi-criterio. o Empezar por completo determinando los criterios de selección. El proceso de Toma de Decisión comienza con la creación o importación del conjunto de variables que serán asociadas a cada criterio de decisión, lo que nos permite valorar distintos criterios a través de una misma variable. Se pasa enseguida a la estructura de la matriz de decisión. Para ello se definen el conjunto de alternativas y criterios de selección exactamente de la misma forma en que se definió la estructura de la matriz de importancia (Acciones del proyecto y Factores ambientales). Después de crear la estructura, se llenan los campos de la matriz de decisión. Una vez llenas todas las celdas de la matriz de decisión y evaluada la misma esta nos dará la valoración final concerniente al proceso de selección y evaluación de la ruta optima para sistema de Líneas de Transmisión estudiado. Cap. I. Ruta para Líneas de Transmisión. Pág. 20 Capítulo II Conductores Utilizados En Líneas de Transmisión ³Cualquier nuevo avance científico ha salido de una nueva audacia de la imaginación´ John Dewey Qué son conductores Se aplica este concepto a los cuerpos capaces de conducir o transmitir la electricidad. Un conductor eléctrico está formado primeramente por el conductor propiamente tal, usualmente de cobre. Este puede ser alambre, es decir, una sola hebra o un cable formado por varias hebras o alambres retorcidos entre sí. Los materiales más utilizados en la fabricación de conductores eléctricos son el cobre y el aluminio. Aunque ambos metales tienen una conductividad eléctrica excelente, el cobre constituye el elemento principal en la fabricación de conductores por sus notables ventajas mecánicas y eléctricas. El uso de uno y otro material como conductor, dependerá de sus características eléctricas (capacidad para transportar la electricidad), mecánicas ( resistencia al desgaste, maleabilidad), del uso específico que se le quiera dar y del costo. Estas características llevan a preferir al cobre en la elaboración de conductores eléctricos. El tipo de cobre que se utiliza en la fabricación de conductores es el cobre electrolítico de alta pureza, 99,99%. Dependiendo del uso que se le vaya a dar, este tipo de cobre se presenta en los siguientes grados de dureza o temple: duro, semi duro y blando o recocido. Conductores Utilizados en LT Los conductores en las líneas de transmisión son del tipo multifilar y constan de una serie de alambres conductores trenzados en forma helicoidal. La intención de que un conductor en las líneas de transmisión, sean de tipo trenzados y no un conductor único sólido, es el hecho de agregar flexibilidad Cap. II. Conductores. Pág. 22 mecánica al conductor, proveyendo propiedades de resistencia mecánica. Conductores Utilizados en LT Los conductores trenzados, poseen alambres cilíndricos, que son trenzados en forma helicoidal conformando capas. En general un conductor de "n" capas, de alambres, que posea un centro de conductor único, puede ser determinado el número de alambres por medio de la ecuación: #alambres = 3n2 í 3n +1 # alambres = 3(n2 í n )2+1 Los conductores trenzados, poseen alambres cil ndricos, que son trenzados en forma helicoidal conformando capas. En general un conductor de "n" capas, de alambres, que posea un centro de conductor único, puede ser determinado el número de alambres por medio de la ecuación: #alambres = 3n2 # alambres = 3(n2 3n +1 n )2+1 Un conductor de "n" capas, de alambres, : #alambres = 3n2 # alambres = 3(n2 3n +1 n )2+1 Cap. II. Conductores. Pág. 23 Para un conductor de tipo multifilar, de conductor central único, posee una relación de alambres según el número de capas es: 7, 19, 37, 61, 91, 127,... etc. Los conductores multifilares, pueden ser del tipo dilatado, cuando entre las capas de conductores se incluye papel, con la intensión de aumentar el radio aparente de un conductor, sin aumentar la cantidad total de material conductor. AAC: Conductor de Aluminio (All Aluminium Conductor). Los conductores de aluminio Estandar 1350, son clasificados en: ± Clase AA: Para conductores desnudos usados en líneas, ± Clase A: como conductores ha ser recubiertos por materiales resistentes a la humedad, o para líneas de muy alta flexibilidad, ± Clase B: para conductores ha ser aislados con varios materiales y para conductores indicados bajo la clase A donde la flexibilidad es requerida; ± Clase C: son empleados para aplicaciones donde una gran flexibilidad es requerida; nótese que la flexibilidad va de mayor a menor de la clase AA a la C. ACSR: Conductor de Aluminio con Aleación de Acero (Aluminium Conductor Steel Reinforced): Este conductor es empleado en líneas de transmisión y sistemas de distribución primaria. El ACSR ofrece el óptimo esfuerzo para el diseño de líneas. Cap. II. Conductores. Pág. 24 El núcleo de acero es variable de acuerdo a los diseños de esfuerzo, sacrificando la capacidad de corriente del conductor. ACAR: Conductor de Aluminio con Refuerzo de Aleación (Aluminium Conductor Alloy Reinforced): Es usado como conductor para sistemas de distribución primaria y secundaria, posee una buena relación de esfuerzo peso, y lo hace aplicable en aplicaciones donde tanto capacidad de corriente y esfuerzos son las consideraciones primarias en el diseño de la línea. En Venezuela se prefiere la utilización de conductores con base de aluminio, debido a que nuestro país es un gran productor de este mineral, pero en esencia se utiliza en las líneas de transmisión aéreas reforzado con aleación ACAR. En distribución de energía eléctrica se suele utilizar un particular tipo de conductor denominado ARVIDAL, que corresponde a un conductor con 20% de aluminio (según el fabricante ICONEL), y en los Estados Unidos es usual utilizar el AMES hasta el ALLIANCE. Cables de Aluminio (ASC o ACC): Son conductores hechos de alambres de aluminio, de sección circular, cableados en capas concéntricas. La empresa eléctrica venezolana CADAFE, exige que sus conductores de aluminio cumplan con la norma NORVEN 533-69 y ASTM B-53.(American Society for Testing and Materials) Cables de aluminio con refuerzo de acero (ACSR): Son cables formados por un cierto número de alambres de acero galvanizado o aluminizado y una o varias capas de alambres de aluminio, todos cableados en capas concéntricas. La empresa CADAFE, emplea en sus líneas de transmisión e, ACSR, que cumpla con las normas NORVEN 531-68 y ASTM B323, B262 y B230. Cap. II. Conductores. Pág. 25 Cables de aleación de aluminio (AAAC): Son simplemente conductores hechos de alambres de aleación de aluminio de sección circular, cableados en capas concéntricas. En Venezuela la empresa CADAFE, utiliza el AAAC de aleación de aluminio 6201 con normas NORVEN 557-71 y ASTM B399. Cables de alambres de aluminio y de aleación de aluminio (ACAR): Son conductores formados por la combinación de alambres de aluminio y alambres de aluminio 6201 trenzados. En Venezuela, CADAFE admite la norma ASM B524. Tipos de cobre para conductores eléctricos Cobre de temple duro: y Conductividad del 97% respecto a la del cobre puro. y Resistividad de 0,018 ( x mm 2 ) a 20 ºC de temperatura. y Capacidad de ruptura a la carga, oscila entre 37 a 45 kg/mm2. Por esta razón se utiliza en la fabricación de conductores desnudos, para líneas aéreas de transporte de energía eléctrica, donde se exige una buena resistencia mecánica. Cobre recocido o de temple blando: y Conductividad del 100% y Resistividad de 0,01724 = 1 ( x mm 2 ) respecto del cobre puro, tomado este como patrón. y Carga de ruptura media de 25 kg/mm2. y Como es dúctil y flexibe se utiliza en la fabricación de conductores aislados. Cap. II. Conductores. Pág. 26 El conductor está identificado en cuanto a su tamaño por un calibre, que puede ser milimétrico y expresarse en mm2 o americano y expresarse en AWG o MCM con una equivalencia en mm2. Partes que componen los conductores eléctricos Estas son tres muy diferenciadas: y El alma o elemento conductor. y El aislamiento. y Las cubiertas protectoras. El alma o elemento conductor Se fabrica en cobre y su objetivo es servir de camino a la energía eléctrica desde las centrales generadoras a los centros de distribución (subestaciones, redes y empalmes), para alimentar a los diferentes centros de consumo (industriales, grupos habitacionales, etc.). De la forma cómo esté constituida esta alma depende la clasificación de los conductores eléctricos. Así tenemos: Según su constitución Alambre: Conductor eléctrico cuya alma conductora está formada por un solo elemento o hilo conductor. Cap. II. Conductores. Pág. 27 Clasificación de los conductores eléctricos de acuerdo a sus condiciones de empleo Para tendidos eléctricos de alta y baja tensión, existen en nuestro país diversos tipos de conductores de cobre, desnudos y aislados, diseñados para responder a distintas necesidades de conducción y a las características del medio en que la instalación prestará sus servicios. La selección de un conductor se hará considerando que debe asegurarse una suficiente capacidad de transporte de corriente, una adecuada capacidad de soportar corrientes de cortocircuito, una adecuada resistencia mecánica y un Comportamiento apropiado a las condiciones ambientales en que operará. Conductores de cobre desnudos Estos son alambres o cables y son utilizados para: y Líneas aéreas de redes urbanas y suburbanas. y Tendidos aéreos de alta tensión a la intemperie. y Líneas aéreas de contacto para ferrocarriles y trolley-buses. Alambres y cables de cobre con aislación Estos son utilizados en: y Líneas aéreas de distribución y poder, empalmes, etc. y Instalaciones interiores de fuerza motriz y alumbrado, ubicadas en ambientes de distintas naturaleza y con diferentes tipos de canalización. y Tendidos aéreos en faenas mineras (tronadura, grúas, perforadoras, etc.). y Tendidos directamente bajo tierra, bandejas o ductos. y Minas subterráneas para piques y galerías. Cap. II. Conductores. Pág. 28 y Control y comando de circuitos eléctricos (subestaciones, industriales, etc.). y Tendidos eléctricos en zonas de hornos y altas temperaturas. y Tendidos eléctricos bajo el agua (cable submarino) y en barcos (conductores navales). y Otros que requieren condiciones de seguridad. Ante la imposibilidad de insertar en este folleto la totalidad de las tablas que existen, con las características técnicas y las condiciones de uso de los conductores de cobre, tanto desnudos como aislados, entregamos a modo de ejemplo algunas de las más usadas por los profesionales, técnicos y especialistas. Se recomienda solicitar a los productores y fabricantes las especificaciones, para contar con la información necesaria para los proyectos eléctricos. Calibre de Conductores Para especificar un conductor trenzado multifilar, se suele utilizar su calibre como punto de partida, se entiende por calibre, el área de la sección transversal, o cualquier parámetro que la defina (radio o diámetro). Existen dos sistemas internacionalmente aceptados, para definir el calibre de los conductores, estos son: Sistema AWG Sistema MCM El sistema AWG, proviene de las iniciales inglesas de American Wire Gaje, en este sistema los calibres de los conductores son definidos por una escala Cap. II. Conductores. Pág. 29 numérica, que cumple con que la relación entre los números sucesivos de calibres es constante, entonces obedece a una progresión geométrica (cuya razón es ± 1.2610). En el sistema AWG, mientras mayor es el número del conductor, menor es su diámetro, en este sistema existen definidos cuarenta (40) calibres diferentes, partiendo del número 36 (diámetro de 0.005 pulgadas) hasta llegar al calibre 0, 2/0, 3/0 y 4/0 (diámetro de 0.46 pulgada). Cap. II. Conductores. Pág. 30 Tabla Características Físicas Típicas de Conductores desnudos Tamaño AWG 36 30 24 16 14 12 10 8 2 1 1/0 4/0 Seccion mm 0.0127 0.0507 0.205 1.31 2.08 3.31 5.261 8.367 33.62 42.41 53.49 107.2 Diametro mm 0.127 0.254 0.511 1.29 1.63 2.05 2.588 3.264 6.543 77.348 8.252 11.68 Kg/Km cobre 0.1126 0.4505 1.820 11.63 18.51 29.41 46.77 74.38 298.9 377 475.5 953.2 3.53 5.62 4.94 14.22 22.62 909.89 114.6 144.6 289.8 aluminio La clasificación de los conductores AWG, resulta bastante acertada para los conductores de aplicación general, residencial e industrial, pero en la transmisión de grandes bloques de energía, en los sistemas de potencia, el calibre de los conductores superó los valores establecidos por la AWG, siendo necesario implementar un sistema que admitiera calibres mayores, y es donde nace el concepto de MILS. Un mils es una unidad de longitud inglesa, que se define como la milésima parte de una pulgada En función de esta unidad de longitud se puede definir el área de la sección transversal que especifican los conductores, por lo que se adopta el circular mil, que corresponde al área de una circunferencia cuyo diámetro es un mil (1/1000 pulg.). Cap. II. Conductores. Pág. 31 Entonces debe ser bien comprendido que un circular mil es una unidad de área que relaciona el calibre del conductor con su área. El circular mil es utilizado para especificar alambres sólidos y conductores trenzados, tiene la especial ventaja que las secciones especificadas guardan relación directa su el diámetro. Si se desea conocer el área de un conductor, siendo conocido su diámetro (d) en pulgadas, solo se debe operar por: A[cmil]= 1000000d 2 Se puede realizar un equivalente entre las unidades inglesas y las americanas: 1cmil = 0.0000507mm2 Los conductores que transmiten grandes bloques de potencia, requieren de secciones transversales grandes, por lo que el cmil es una unidad muy reducida para la definición cotidiana de conductores, en ves de esta se ha definido el mcmil, que corresponde a mil cmil. 1mcmil =1000cmil =1mcm Cap. II. Conductores. Pág. 32 El menor calibre definido en el sistema de circular mils es de 250 mcm, siendo crecientes los calibres en pasos de 50 mcm. Características principales: 1) Presentar una baja resistencia eléctrica, en consecuencia bajas pérdidas por efecto Joule. 2) Presentar elevada resistencia mecánica, ofrecer una elevada resistencia a los esfuerzos permanentes o accidentales. 3) Costo razonable, debido a que en base al conductor se basa la infraestructura restante de una línea de transmisión. Los metales que satisfacen estas condiciones son relativamente escasos, a saber: - Cobre. - Aluminio - Aleación de aluminio - Combinación de metales (aluminio acero) Pese a la menor resistencia eléctrica y superiores aptitudes mecánicas el cobre ha dejado de ser utilizado en la construcción de líneas de transmisión aéreas en alto voltaje debido a las características técnico - económicas que presenta este tipo de conductores respecto a los conductores que utilizan una combinación de materiales, esto es especialmente notado en alta y muy alta tensión. Todos los elementos constructivos de una línea de transmisión aérea deben ser elegidos, conformados, y construidos de manera que tengan un comportamiento seguro en condiciones de servicio, bajo las condiciones climáticas favorables y no favorables. La línea de transmisión debe operar bajo tensiones y Cap. II. Conductores. Pág. 33 corrientes de régimen permanente estable, y bajo las solicitaciones de cortocircuito establecidas. CARACTERÍSTICAS DE LOS CONDUCTORES DE ALUMINIO. Independientemente de las características eléctricas y mecánicas que conducen a la elección de un tipo de conductor u otro, se deben siempre tomar en cuenta los principios básicos de uso del tipo de material que están hecho los conductores. Se debe tomar en cuenta: Peso específico - Resistividad ³resistencia específica´3 - Coeficiente de temperatura - Módulo de elasticidad - Coeficiente de alargamiento - Carga de rotura - Límite de elasticidad - Coeficiente de dilatación lineal - Calor específico - Alargamiento a la rotura ³AR [%]´ Donde: l: Longitud después de la rotura Cap. II. Conductores. Pág. 34 l0: longitud inicial S0: Sección transversal inicial En la Tabla 4.1 se realiza una comparación de las propiedades más importantes de los materiales más usados ³Al y Cu´ en las líneas de transmisión, para esta comparación debemos considerara lo siguiente: - La longitud del conductor será la misma - La resistencia eléctrica del conductor será la misma - La temperatura a la que se encuentran los materiales es la misma TABLA CARACTERÍSTICAS DEL Al y Cu La sección nominal mínima admisible de los conductores de cobre y sus aleaciones deben será de 10 mm2. En el caso de los conductores de acero galvanizado la sección mínima admisible será de 12,5 mm2. Para los demás metales, no se deben usar conductores de menos de 350 kg de carga de rotura. Carga de rotura: Es la carga por unidad de superficie de la sección original, aplicada en el momento de la rotura de la probeta. Normalmente se expresa en N/mm2. SECCIONES DE LOS CONDUCTORES. [10] La resistencia eléctrica de un conductor está dada por: Cap. II. Conductores. Pág. 35 Donde: Rmaterial: resistencia del material ³Al, Cu, Acero, etc.´ material: resistividad del material Lmaterial: longitud del conductor Smaterial: sección del conductor Para el Al: Para el Cu: Se asume: Igualando Cap. II. Conductores. Pág. 36 Despejando SAl: Como se puede ver, el conductor de Aluminio tiene 1,61 veces mayor sección que el conductor de Cu, para una misma resistencia. Esta propiedad encontrada en primera instancia representa un inconveniente para el conductor de Al. RESISTENCIA MECÁNICA DE TRACCIÓN DE LOS CONDUCTORES. La máxima tracción de un conductor está dada por: Donde: Tmaterial: tensión máxima a la tracción del material ³Al, Cu, Acero, etc.´ material: carga de rotura del material Smaterial: sección del conductor Para el Al: Para el Cu: Cap. II. Conductores. Pág. 37 Dividiendo se tiene: Para una misma resistencia eléctrica, la ecuación muestra que la tensión máxima de tracción del Cu es mayor que la del Al. PESOS DE LOS CONDUCTORES. El peso de cada material esta dado por: Donde: Pmaterial: peso del material ³Al, Cu, Acero, etc.´ Smaterial: sección del conductor dmaterial: densidad del material Para el Al: Cap. II. Conductores. Pág. 38 Para el Cu: Dividiendo se tiene: Se puede evidenciar que el peso del Cu es mayor que el del Al, es decir el conductor de Al pesa 49% el peso del conductor de Cu. Esto es una ventaja muy importante. Cap. II. Conductores. Pág. 39 COSTO DE LOS CONDUCTORES. Los costos de un material específico esta dado por la siguiente ecuación: Donde: Cmaterial: costo del material ³Al, Cu, Acero, etc.´ Pmaterial: peso del material pmaterial: precio unitario del material Para el Al: Para el Cu: Dividiendo se tiene: En la fórmula obtenida se puede ver que el precio en este año ³2008´ está en una relación de 6,56 mayor el precio del Cu que el Al. En la tabla 4.3 se notan los Cap. II. Conductores. Pág. 40 precios del Al, aleación de Al y Cu en los meses de enero, febrero y marzo delaño 2008. MATERIALES DE LOS CONDUCTORES. Los conductores usados en sistemas de transmisión en EHV-UHV (Extra High Voltaje-Ultra; High Voltaje), emplean conductores de aluminio, así como aluminio y acero, se muestran las ventajas y desventajas que presentan el aluminio y el cobre: VENTAJAS: - El costo del aluminio es aproximadamente el 15% del costo del cobre. - El peso del aluminio es aproximadamente el 45% que el cobre. - El peso específico del cobre es mucho mayor que el aluminio. DESVENTAJAS: - Los ácidos, la sal, los sulfatos, el medio ambiente atacan más a los conductores de aluminio. - Los conductores de aluminio presentan una baja carga de rotura. Por lo que, - Las aleaciones de aluminio mejoran las características del aluminio, debido a eso son usados en las líneas de transmisión, mejorando la carga de rotura, para un peso similar y disminuyendo el precio respecto al precio del aluminio. Se debe tomar en cuenta, lo siguiente: 1) Los conductores de aluminio se utilizan siempre en forma de hilos cableados, debido a que poseen mejor resistencia a las vibraciones que los conductores de un único alambre. 2) La dureza superficial de los conductores de aluminio es sensiblemente menor que para los de cobre, se los debe manipular con cuidado, además los hilos Cap. II. Conductores. Pág. 41 que componen el conductor deben ser de 2 mm de diámetro o más, para que especialmente en las operaciones de tendido no se arriesguen daños graves. 3) Expuestos a la intemperie se recubren rápidamente de una capa protectora de óxido insoluble y que protege al conductor contra la acción de los agentes exteriores. Pese a esto deberá prestarse atención cuando hay ciertos materiales en suspensión en la atmósfera, zonas de caleras, cementeras, etc. exigen seleccionar una aleación adecuada. 4) Ciertos suelos naturales atacan al aluminio en distintas formas, por lo que no es aconsejable utilizarlo para la puesta a tierra de las torres, al menos cuando se ignoran las reacciones que el suelo puede producir. 5) El aire marino tiene una acción de ataque muy lenta sobre el aluminio, de todas maneras las líneas construidas en la cercanía del mar han demostrado óptimo comportamiento. Teniendo en cuenta extremar las precauciones en lo que respecta al acierto en la elección de la aleación y su buen estado superficial.De manera general el ataque será más lento cuantos menos defectos superficiales haya. Los defectos superficiales son punto de partida de ataques locales que pueden producir daños importantes, si no se presentan entalladuras o rebabas ³que pueden ser causadas por roces durante el montaje´ los hilos serán menos sensibles al ataque exterior. 6) El aluminio es electronegativo en relación a la mayoría de los metales que se utilizan en las construcciones de líneas, y por esto se debe tener especial cuidado en las uniones. 7) La temperatura de fusión del aluminio es 660° C ³mientras el cobre funde a 1083° C´ por lo tanto los conductores de aluminio son más sensibles a los arcos eléctricos. Cap. II. Conductores. Pág. 42 TIPOS DE CONDUCTORES USADOS EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN. a. Conductores HOMOGÉNEOS de ALUMINIO El aluminio es, después del cobre, el metal industrial de mayor conductividad eléctrica. Esta se reduce muy rápidamente con la presencia de impurezas en el metal. Lo mismo ocurre para el cobre, por lo tanto para la fabricación de conductores se utilizan metales con un título no inferior al 99.7%, condición esta que también asegura resistencia y protección de la corrosión. b. Conductores HOMOGÉNEOS de ALEACIÓN de ALUMINIO Se han puesto a punto aleaciones especiales para conductores eléctricos. Contienen pequeñas cantidades de silicio y magnesio ³0.5 a 0.6 % aproximadamente´ y gracias a una combinación de tratamientos térmicos y mecánicos adquieren una carga de ruptura que duplica la del aluminio ³haciéndolos comparables al aluminio con alma de acero´, perdiendo solamente un 15% de conductividad ³respecto del metal puro´. c. Conductores MIXTOS de ALUMINIO ACERO Estos cables se componen de un alma de acero galvanizado recubierto de una o varias capas de alambres de aluminio puro. El alma de acero asigna solamente resistencia mecánica del cable, y no es tenida en cuenta en el cálculo eléctrico del conductor. También se realizan conductores mixtos de aleación de aluminio acero, lógicamente tienen características mecánicas superiores, y se utilizan para vanos muy grandes o para zonas de montaña con importantes sobrecargas de hielo. Existen muchos tipos de cables que son utilizados para la transmisión de energía eléctrica en líneas de transmisión. Estos incluyen los siguientes: Cap. II. Conductores. Pág. 43 CONDUCTORES USADOS EN 230 kV. Existen cinco diseños en uso común: - AAAC: ³Diseños homogéneos´, conductor de aleación de aluminio. - ACSR: ³Diseños compuestos´, conductor de aluminio con refuerzo de acero. - AAC: Conductor de aluminio, clases AA; A; B y C. - AACSR: Conductor de aleación de aluminio con refuerzo de acero. - ACAR: Conductor de aluminio con refuerzo de aleación. 4.4.2. CONDUCTORES DE ALEACIÓN DE ALUMINIO (A.A.A.C) Este conductor es fabricado usando una aleación de aluminio de alta fortaleza proporcionando así, una alta relación resistencia-peso. La aleación de aluminio de este tipo de conductores ofrece una mayor resistencia a la corrosión que el conductor A.C.S.R. Los conductores de aluminio son fabricados según el estándar 6201-T81 conforme a las especificaciones ASTM B-399 son similares a otros conductores conocidos comercialmente como Ardival, Aldrey o Almelec. Son desarrollados para cubrir la necesidad de un conductor económico para líneas de transmisión que requieren una fortaleza mayor que la proporcionada por los conductores de aluminio 1350, pero sin contener núcleo de acero. La resistividad DC a 20° C de los conductores 6201-T81 y el A.C.S.R estándar del mismo diámetro es aproximadamente la misma. Los conductores de aleaciones 6201-J81 son más fuertes y por ende, tienen mayor resistencia a la abrasión que los conductores de aluminio 1350-H19. Estos conductores se utilizan cuando se necesita un esfuerzo de tensión elevado y una elevada relación de esfuerzo mecánico-peso para la optimización Cap. II. Conductores. Pág. 44 de las flechas en vanos largos. Estos conductores son útiles para instalaciones en zonas costeras o de alta corrosión ambiental, donde los A.C.S.R no pueden ser utilizados. CONDUCTORES DE ALUMINIO CON REFUERZO DE ACERO A.C.S.R. Este conductor se utiliza sobretodo en tramos largos debido a su alta resistencia mecánica pero no deben usarse en lugares corrosivos por efectos volcánicos entre el acero y el aluminio, lo cual debilita al conductor provocando su falla. El cableado con núcleo variable de acero permite alcanzar la dureza deseada sin perjudicar la corriente máxima que puede soportar el cable. Es un conductor cableado concéntricamente, compuesto por una o más capas de alambre de aleación de aluminio 1350-H19 cableado con núcleo de acero de alta resistencia. Estos conductores están compuestos de varios alambres de aluminio, de igual o diferente diámetro nominal, y de alambres de acero galvanizado. Los alambres van cableados en capas concéntricas. Este tipo de conductores tiene un tipo de inconveniente con respecto a los de aluminio exclusivamente, es su mayor peso. No obstante, tiene una mayor resistencia mecánica, logrando disminuir con ello el número de apoyos y de aisladores al poderse aumentar la longitud de los vanos. Las proporciones de aleación de aluminio y acero pueden ser ajustadas para obtener la relación conductividad-fortaleza que mejor se ajuste al uso final del cable. Es posible agregar protección adicional anti-corrosión aplicando grasa al núcleo al cable completo. Existen además otros tipos de cables A.C.S.R: - A.C.S.R/AW: Conductor de aluminio con refuerzo de acero aluminizado. - A.C.S.R/TW: Conductor de aluminio con refuerzo de acero. - A.C.S.R/AE: Conductor de aluminio con refuerzo de acero. - A.C.S.R/T-2,A.A.C/T-2 y A.A.A.C/T-2. Cap. II. Conductores. Pág. 45 CONDUCTOR DE ALUMINIO CON REFUERZO DE ACERO ALUMINIZADO A.C.S.R/AW El conductor A.C.S.R/AW ofrece las mismas características de fortaleza del A.C.S.R pero la corriente máxima que puede soportar el cable y su resistencia a la corrosión son mayores debido al aluminizado del núcleo de acero. Provee mayor protección en lugares donde las condiciones corrosivas del ambiente son severas. CONDUCTOR DE ALUMINIO CON REFUERZO DE ACERO A.C.S.R/TW Este tipo de conductores es ideal para repotenciar las líneas de transmisión ya que ofrece el mismo diámetro que el A.C.S.R pero soporta una mayor corriente. Las estructuras a utilizar deben ser evaluadas cuidadosamente debido al gran peso de este conductor. CONDUCTOR DE ALUMINIO CON REFUERZO DE ACERO A.C.S.R/AE Como su nombre lo indica el A.C.S.R/AE ³air expanded´ A.C.S.R es un conductor cuyo diámetro ha sido incrementado o expandido por espacios de aire entre las capas exteriores de aluminio y el núcleo de acero. A.C.S.R/T-2, A.A.C/T-2 Y A.A.A.C/T-2 Este nuevo conductor soporta el efecto ³galloping´ por causas eólicas y proporciona baja vibración en las líneas de transmisión. CONDUCTOR DE ALUMINIO, CLASES AA, A, B, C ³A.A.C´ Los conductores de aluminio, clases AA, A, B, C pueden ser también conductores de cableado compactos para uso en líneas de transmisión aérea y para ser recubiertos con aislamientos específicos, cuando por razones de diseño Cap. II. Conductores. Pág. 46 de la línea, la capacidad de corriente debe ser mantenida y se desea un conductor más liviano que el A.C.S.R y la resistencia a la tracción o esfuerzo de tensión mecánico máximo no es un factor crítico. Conductores trenzados de mayor flexibilidad clases B y C son usados en aplicaciones para conexiones o puentes de equipos eléctricos, en subestaciones,etc. Cada clase está relacionada con el cableado y son un indicativo de la flexibilidad relativa del conductor, siendo AA la menos flexible y C la de mayor flexibilidad. Los conductores de aluminio 1350 se clasifican de la siguiente manera: CLASES DE CONDUCTORES DE ALUMINIO A.A.C Clase AA Conductores normalmente usados en líneas de transmisión aéreas. A Conductores a ser recubiertos por materiales resistentes al clima y conductores desnudos con alta flexibilidad. B Conductores a ser aislados con diversos materiales y conductores que requieren mayor flexibilidad. C Conductores que requieren la más alta flexibilidad CONDUCTOR DE ALEACIÓN DE ALUMINIO CON REFUERZO DE ACERO A.A.C.S.R El A.A.C.S.R es un conductor, cableado concéntricamente, compuesto por una o más capas de alambre de aleación de aluminio 6201-T81 cableado con un núcleo de acero de alta resistencia. El núcleo puede estar conformado por un alambre de acero simple o por varios, cableados, dependiendo del tamaño. Cap. II. Conductores. Pág. 47 Este tipo de conductor ofrece una fortaleza óptima para el diseño de líneas de transmisión. El cableado con núcleo variable de acero permite alcanzar la dureza deseada sin disminuir la corriente máxima que puede soportar el cable. Las proporciones de aleación de aluminio y acero pueden ser ajustadas para obtener la relación conductividad-fortaleza que mejor se ajuste al uso final del cable. Es posible agregar protección adicional anticorrosión aplicando grasa al núcleo o al cable completo. CONDUCTOR DE ALUMINIO CON REFUERZO DE ALEACIÓN A.C.A.R Su buena relación resistencia-peso lo hace un cable recomendable en aplicaciones en las que tanto la corriente máxima que puede soportar el cable como su fortaleza son consideraciones de importancia en el diseño de las líneas de transmisión. Estos conductores ofrecen una buena resistencia a la tracción y un excelente relación esfuerzo de tensión-peso, para el diseño de estas líneas cuando tanto la capacidad de corriente como la resistencia mecánica son factores críticos a ser considerados en el mismo. El alma de aleación de aluminio de estos conductores está disponible en diversas formaciones, de acuerdo al esfuerzo de tensión deseado. Además a igual peso, los conductores A.C.A.R ofrecen mayor resistencia mecánica y capacidad de corriente que el A.C.S.R. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS Los valores que caracterizan el comportamiento mecánico del cable son el módulo de elasticidad ³E´ y el coeficiente de dilatación lineal ³ ´, este último al disminuir la temperatura influye reduciendo la longitud del conductor y aumentando el tiro, su solicitación mecánica. En cables mixtos interesa encontrar valores equivalentes a un conductor ideal homogéneo: Cap. II. Conductores. Pág. 48 Donde: SAl y SAc: Secciones del aluminio y acero respectivamente. El valor de la carga de rotura nominal de un conductor mixto aluminio acero está dada por: Siendo Rac y Ral las cargas de rotura de los hilos correspondientes, para aleación de aluminio acero en cambio: SELECCIÓN DEL TIPO DE CONDUCTOR. Los conductores homogéneos de aluminio por sus bajas características mecánicas tienen el campo de aplicación fuertemente limitado, ya que vanos relativamente grandes llevarían a flechas importantes que obligarán a aumentar la Cap. II. Conductores. Pág. 49 altura de los soportes, como también fijar distancias notables entre las fases originando cabezales de grandes dimensiones, este tipo de conductor se utiliza entonces para los vanos de las estaciones eléctricas o en las líneas con vanos relativamente cortos. Los conductores de aleación de aluminio, o de aluminio acero, con características mecánicas elevadas, permiten cuando las trazas son rectilíneas hacer trabajar a los conductores con los máximos esfuerzos que le son permitidos. Esto da por resultado, grandes vanos, con el consiguiente ahorro de torres, aisladores, morseteria y fundaciones. A su vez los conductores de aleación de aluminio presentan algunas ventajas respecto de los de aluminio acero, a saber: - Mayor dureza superficial, lo que explica una menor probabilidad de daños superficiales durante las operaciones de tendido, y como consecuencia se tendrán menos perdidas corona, y menor perturbación radioeléctrica. - Menor peso, el ser más liviano, para flecha y vanos iguales da como consecuencia a igual altura de torres menor peso en las torres terminales y angulares, por la menor solicitación mecánica, esto influye en la economía especialmente cuando la traza es quebrada. Para el caso de trazas rectilíneas, a igualdad de tensión mecánica de tendido, se tiene menor flecha para igual vano, y en consecuencia menor altura de las torres de suspensión. Una desventaja para la aleación de aluminio es que por sus características mecánicas consecuencia de tratamientos térmicos, el cable es sensible a las altas temperaturas (no debe superarse el límite de 120° C) por lo que debe prestarse especial atención al verificar la sección para las sobrecorrientes y tener particularmente en cuenta la influencia del cortocircuito. Cap. II. Conductores. Pág. 50 SELECCIÓN CON CRITERIO ELÉCTRICO. El conductor es el componente que justifica la existencia de la línea, en rigor toda la obra se hace para sostenerlo, siendo la elección acertada del conductor la decisión más importante en la fase de proyecto de una línea de transmisión. La correcta elección del conductor, es una variable importante en los parámetros de la línea, otras variables son en particular la tensión, la energía a transportar, etc. Debe tenerse presente que de la correcta elección del conductor es proporcional al costo incremental de la energía que la línea transmite. Las características eléctricas y mecánicas del conductor influyen en el diseño delas torres, y su ubicación en el terreno, puede deducirse que existe una familia de conductores que satisfacen técnicamente la relación existente entre torre y conductor, pero solo uno es el más apto para satisfacer las reglas de las cuales no debe apartarse para el diseño de la línea de transmisión. La selección del calibre o tamaño del conductor requerido para una aplicación, se determina mediante: - Corriente requerida por la carga - Caída de tensión admisible - Corrientes de cortocircuito El problema de la determinación de la capacidad de conducción de corriente es un problema de transferencia de calor. Ya sea en condiciones normales de operación, como en sobrecargas y en cortocircuito. Por tal razón algunos autores definen estas características en conceptos de temperaturas (incremento de temperatura por efecto Joule I²R ). La verificación del tamaño o sección transversal del conductor se puede efectuar mediante la capacidad de corriente, debiendo tomar en cuenta las Cap. II. Conductores. Pág. 51 características de la carga, requerimientos del NEC, efectos térmicos de la corriente de carga, calentamiento, pérdidas por inducción magnética y en el dieléctrico. El objetivo fundamental es lograr un diseño con mínimos costos de la obra teniendo en cuenta su construcción y funcionamiento durante un periodo dado. El objetivo es minimizar: - Perdidas de transporte de energía. - Costo de las instalaciones de transporte de energía. Las pérdidas presentadas en las líneas de transmisión de energía debido al efecto Joule y al efecto Corona ³ligados respectivamente a la corriente y a la tensión aplicada´, se reducen aumentando el diámetro del conductor, que implica un aumento de sección, e incrementos en los costos de las instalaciones no es entonces posible reducir perdidas y simultáneamente reducir el costo de la obra. Por lo que se debe hallar un punto de equilibrio entre estos criterios para obtener una solución óptima de la solución a obtener. Por otra parte como toda obra, las líneas tienen una vida económicamente útil, en la cual se espera amortizar el capital invertido. Las pérdidas de transmisión representan la energía producida o adquirida (por quien explota la línea) y no vendida, las inversiones realizadas en las instalaciones deben amortizarse en el plazo de vida útil establecido, y esto tiene un costo financiero y por lo tanto el costo de transporte depende de la suma del costo de pérdidas y costos financieros, que cuando alcanzan el mínimo, minimizan el costo de transporte. Para cálculos de esta índole es usual determinar el costo anual de energía e instalaciones. Cap. II. Conductores. Pág. 52 La Tabla 4.2., resumen los principales tipos de conductores en MCM utilizados TABLA 4.2 CONDUCTORES USADOS CONDUCTORES DE ALUMINIO REFORZADOS CON ACERO ACSR Los conductores de aluminio desnudo reforzados con acero tipo ACSR ofrecen una resistencia a la tracción o esfuerzo de tensión mecánico óptimo para el diseño las líneas de transmisión. Este tipo de conductores están constituidos de un conductor formado por alambres de Aluminio grado EC cableados helicoidalmente alrededor de un núcleo de acero galvanizado, el cual puede consistir, o bien de un alambre o de un cableado helicoidal de una o varias capas de acero galvanizado. La conductividad del ACSR se eligió semejante a la del Aluminio grado EC (61%) ya que se asume que el acero no contribuye a la conducción. La relación del área transversal de aluminio al área transversal de acero puede ser variada de manera tal que, para una conductividad dada el conductor puede ser cableado con diferentes cargas de ruptura, simplemente variando el Cap. II. Conductores. Pág. 53 área del núcleo de acero. Esta flexibilidad junto con otras características tales como la relación "tracción/peso" favorable. El núcleo de acero reduce la resistencia a la corrosión del conductor. Esto no presenta problemas en ambientes secos y no contaminados y tampoco en ambientes contaminados donde la lluvia es frecuente y bien distribuida. Para el caso de ambientes que puedan producir corrosión, el conductor se suministra con un tratamiento especial de grasa, el cual evita la entrada del contaminante al núcleo. Para el sistema de transmisión ecuatoriano en el nivel de 230 kV se usa el conductor: - Bluejay 1113 KCM, stranding ³Al/St 45/7´. En el Anexo No. 2 se puede apreciar los conductores ACSR usado en e SNT. CONDUCTORES DE ALUMINIO REFORZADOS CON AA6201 ACAR. Este tipo de conductores ofrecen una buena resistencia a la tracción y una excelente relación esfuerzo de tensión - peso, para el diseño de estas líneas cuando tanto la capacidad de corriente como la resistencia mecánica son factores críticos a ser considerados en el mismo. Cabe recalcar que a igual peso, los conductores ACAR ofrecen mayor resistencia mecánica y capacidad de corriente que el ACSR. Debido a esta característica este tipo de conductores son empleados para la construcción en líneas de transmisión con tramos largos, especialmente si el tamaño de los conductores es considerable. Cap. II. Conductores. Pág. 54 Se presenta otra alternativa, aparte del ACSR, y son los conductores de aluminio reforzados con AA6201 (ACAR). El ACAR consiste en un conductor formado por alambres de aluminio grado EC cableados helicoidalmente alrededor de un núcleo con una o varias capas de AA6201. La versatilidad en el diseño del ACAR con respecto a sus óptimas propiedades eléctricas y de tracción, permite obtener el diseño de líneas específicas. La excelente resistencia a la corrosión los hace especialmente adecuados para el servicio en ambientes industriales y marítimos muy severos (en los cuales no puede esperarse el buen servicio de los ACSR) ya que, siendo los materiales homogéneos, queda eliminada la posibilidad de corrosión galvánica. Cap. II. Conductores. Pág. 55 Capítulo III Aisladores y Herrajes ³Pensar es fácil; actuar, difícil; transformar los pensamientos en actos es lo más difícil´ Johann W. Goethe AISLADORES Generalidades: Los aisladores en las líneas de transmisión de alta tensión sirven fundamentalmente para sujetar a los conductores, de manera que estos no se muevan en sentido longitudinal o transversal. Como su nombre lo indica, deben evitar la derivación de la corriente de la línea hacia tierra, ya que un aislamiento defectuoso acarrea pérdidas de energía y en consecuencia un aumento del gasto de explotación comercial del sistema. Los aislantes cumplen la función de sujetar mecánicamente los conductores a las estructuras que los soportan, asegurando el aislamiento eléctrico entre estos dos elementos. Así pues, por algunas décadas, las cualidades eléctricas y mecánicas de los aisladores no deberán ser destruidas, por ninguno de los esfuerzos de todo tipo que estarán sometidos. Además, deberán facilitar todo trabajo que pudiera efectuarse en la línea, aun mantenida en tensión eléctrica, sin perjudicar la recepción de las señales electromagnéticas, radio, televisión y otros, ni la estética si fuera posible. El sistema formado por conductores - aislador - apoyo puede considerarse como un condensador en el que el aislador hace las veces de material dieléctrico. Este condensador no es perfecto y su impedancia tiene cierta componente resistiva por lo que la intensidad no adelanta 90º sino un ángulo algo menor. Al ángulo se le conoce con el nombre de ángulo de pérdidas y a tag =Ia/Ir se le denomina factor de pérdidas. La componente Ia es la causante del calentamiento del aislador. Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 57 Las características que definen a un aislador son: Línea de fuga (ver figuras) Distancia disrruptiva o de contorneamiento. Tensión disrruptiva: tensión en kV a la que se produce la descarga disrruptiva. Tensión de perforación: tensión en kV a la que tiene lugar la perforación del aislante. Peso, forma y medidas. Resistencia mecánica (deberá emplearse un coeficiente de seguridad de 3). Es evidente que en un aislador debe tener una rigidez dieléctrica suficiente, además de tener resistencia mecánica, larga vida de trabajo y resistencia a la corrosión; por ello los materiales que mejor se adaptan son el vidrio y la porcelana. Los aisladores se pueden clasificar desde diferentes puntos de vista, según el material elegido para su manufactura: aisladores de vidrio, porcelana o de plástico. Según su uso de tiene aisladores de intemperie y aisladores de recintos cubiertos, aislador de suspensión o aisladores de amarre, así como también aisladores de apoyo. También se diferencia entre aisladores de corriente continua y de corriente alterna. Materiales para Aisladores Las pioneras líneas de transmisión aéreas de distribución de electricidad de alta tensión de corriente continua en 1882 y luego de alterna en 1885, fueron construidas con aisladores de vidrio recocido rígidamente ligados al soporte, a los cuales estaban sujetos los conductores por medio de una ligadura. Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 58 Figura 8. Diferentes tipos de Aisladores empleados a lo largo de la historia Porcelana: La porcelana se probó sin gran éxito entre 1890 y 1893, para cuando se desarrollo el procedimiento de fabricación por vía húmeda, que permitió obtener un material no poroso, de características mecánicas superiores a las del vidrio recocido. La porcelana electrotécnica consiste básicamente de un agregado de caolín (silicato de aluminio puro: Al2O2 2SiO3 2H2O), cuarzo (anhídrido silícico: SiO2) y feldespato (silicato aluminio-potásico: K2O Al2O3 6 SiO2). De ellos el caolín mejora las propiedades térmicas, el cuarzo las mecánicas y el Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 59 feldespato las eléctricas. Contiene, por lo general, entre un 40 y 60 % de caolín, entre un 20 y 30 % de cuarzo y entre un 20 y 30 % de feldespato. La porcelana electrotécnica lleva a menudo una parte considerable de arcilla, no sólo en lugar del caolín, sino también en sustitución del feldespato porque proporciona mayor capacidad que el caolín y menos conductividad eléctrica que el feldespato ya que contiene menos álcalis. El material es particularmente resistente a compresión por lo que se han desarrollado especialmente diseños que tienden a solicitarlo de esa manera. El material que hasta el presente parece haber dado mejores resultados para uso a la intemperie es la porcelana. Con tal finalidad se usa exclusivamente la porcelana dura vidriada, la cual consiste de mezcla de feldespato, cuarzo y caolín, pues es la mejor que satisface las condiciones requeridas por un buen aislante. Aunque la porcelana, es hoy por hoy uno de los materiales de mayor uso; posee algunas desventajas. Es importante que el vidrio de la capa vitrificada que recubre la porcelana posee el mismo coeficiente de expansión térmica que la porcelana, pues de lo contrario surgen tensiones internas, que transcurrido cierto tiempo, se manifiestan en forma de pequeñas grietas; acortando la vida del aislador. Por otra parte, un inconveniente se presenta en la en la elaboración de la porcelana, debido a la contracción que experimenta el material durante la segunda cocción (secado y sinterización), lo que arroja una inevitable inseguridad en las dimensiones finales. Otro inconveniente de la porcelana en servicio, es la fragilidad ante descargas por arco. El cual, al denotar cierta potencia en la proximidad de la superficie de la misma, la destruye por fusión y requerimiento. Basta para ello que el arco persista por fracciones de segundo. En la práctica se trata de alejar el arco de la superficie de la porcelana con la ayuda de cuernos protectores o cuernos de descarga Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 60 Vidrio: A partir de 1935, se utilizó el templado para los dieléctricos de vidrio, obteniéndose piezas con gran resistencia mecánica. Esencialmente los imperativos mecánicos son los que han presidido la evolución de los aislantes utilizados, para las líneas de transporte de energía. Son sustancias inorgánicas amorfas constituidas por sistemas complejos de diversos óxidos. Además de los óxidos vitrificantes, es decir, de aquellos que de por sí son capaces, en estado puro, de formar vidrio (SiO2, B2O3), en la composición de los vidrios se introducen otros óxidos alcalinos (Na2, K2O), alcalinotérreos (CaO, BaO) y también PbO, Al2O3 y otros. La base de la mayoría de estos vidrios la forma el SiO2; estos vidrios se llaman de sílice o silícicos. El aislador de vidrio se obtiene fundiendo diferentes materiales de granulometría; tales como arena, carbonato de sodio, dolomita carbonato de bario, carbonato de potasio, sulfato de bario, y piedra caliza, en un horno de fundición continua. Al igual que la porcelana, la proporción de los elementos que constituyen al material acabado permiten modificar o variar las características eléctricas, térmicas y mecánicas. Una vez moldeado el aislador, se le somete a enfriamiento rápido mediante un chorro de aire. Con esto se logra que la parte externa se contraiga, permaneciendo la parte interior con calor y se contrae, mientras que la exterior se expande. Mediante este proceso el vidrio queda sometido permanentemente a una tensión interna uniforme, lo que lo confiere una gran resistencia mecánica. Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 61 Otras ventajas del vidrio en comparación con la porcelana son: su constante dieléctrica de 7.3 (la de la porcelana es 6) y su elevado coeficiente de expansión térmica mayor a la del vidrio. Hasta ahora, solo los vidrios y las cerámicas, productos minerales frágiles, han recibido la sanción favorable de la experiencia. A medida que los niveles de tensión eléctrica han aumentado en los sistemas de transmisión las formas y los materiales de construcción de los aislantes ha sido especialmente estudiado, debido a los grandes esfuerzos eléctricos a que se ven sometido, siendo necesario conocer los niveles de aislamiento eléctrico. Polimeros: Los aisladores de plástico se han venido encontrando una aplicación cada vez mayor de las instalaciones de alta tensión bajo techo, debido fundamentalmente a las ventajas que presentan frente a los aisladores de cerámica y vidrio, entre las cuales resaltan: Mayor libertad y facilidad en el acabado final del aislador, permitiendo además el vaciado simultáneo de piezas metálicas. Mejor comportamiento elástico y mayor resistencia contra impactos mecánicos Peso reducido y elevada resistencia dieléctrica. En las instalaciones a la intemperie se aprecia también una fuerte tendencia en la aplicación creciente de aisladores de plástico, si bien los estudios e investigaciones no pueden contemplarse como finalizados. El material más indicado para la fabricación de los aisladores plásticos parece ser la resina sintética. Los experimentos de tensión mecánica a muy baja temperatura (-20ºC) han demostrado, sin embargo que no todas las resinas sintéticas hasta ahora aplicadas en la electrotecnia pueden soportar los severos desafíos de la práctica, quedando así descartadas las resinas del tipo ciclo alifático, mientras que los Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 62 elastómeros de silicón parecen arrojar mejores resultados en un margen de temperatura comprendido entre 60º y +180ºC. Actualmente los polímeros más usados en la construcción de aisladores poliméricos son un terpolímero de etileno propileno y dieno (EPDM) y los construidos a base de goma de silicona (SiR). Fibras de vidrio y resina en el núcleo, y distintas "gomas" en la parte externa, con formas adecuadas, han introducido en los años mas recientes la tecnología del aislador compuesto. Estas modernas soluciones con ciertas formas y usos ponen en evidencia sus ventajas sobre porcelana y vidrio. Aplica ción de los Aisladores Poliméricos. Con la finalidad de mejorar el comportamiento eléctrico y mecánico de los aisladores plásticos se están empleando actualmente una gran cantidad de aditivos, cuya discusión excedería apreciablemente el margen del presente escrito. Cabe señalar, únicamente, que los aisladores de plásticos están encontrado una creciente aplicación en los sistemas de transmisión de energía, encontrándose desde hace algunos años en operación aisladores diseñados con tensiones de 110 kV. Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 63 Muestra de Diferentes Tipos de Aislantes Compuestos Clasificación de los aisladores de acuerdo a su función 1. Aislador de suspensión y/o amarre 1.1. Aislador de Campana y esparrago (Cap. And Pin): Este tipo de aislador también es denominado plato, en este el material aislante (porcelana, vidrio, etc.) tiene adherido con cemento a lado y lado, elementos metálicos que se pueden encajar uno dentro de otro, permitiendo la formación de cadenas flexibles, también se encajan los accesorios de conductor o herrajes, además de las estructuras, con lo cual completan su fijación. Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 64 Aislante de Campana Espárrago Type) Suspensión, Tipo (Ball and Socket Aislador de Suspensión, Tipo Ojo-Pasador (Clevis Type) El aislador de suspensión de tipo campana y espárrago (cap and pin) domina hoy día el margen de tensiones comerciales comprendido a partir de los 70 kV. Para tales tensiones el aislador de apoyo resulta antieconómico, siendo además apreciable la longitud que tendrían que denotar los mismos para vencer tensiones más altas. Los aisladores a base de campana y espárrago (también denominados rotula y horquilla) denotan la peculiaridad de poder suspender, hasta cierto límite, a un elemento del otro, formando una especie de cadena, hasta vencer la tensión deseada. Este hecho a simplificado notablemente la manufactura del aislador, concentrándose especialmente su producción en el Japon (empresa NGK). Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 65 1.2. Partes de un aislador de Campana: Partes de Aislador de suspensión, tipo Campana-Espárrago. 1 Caperuza Metálica, denominada también capurucha, fabricada de acero galvanizado en caliente. 2 Pasador de Seguridad, fabricado en latón o acero inoxidable. 3 Cemento Porttland. Tiene como finalidad unir a la caperuza metálica a la falda del elemento. 4. Falda de cerámica o vidrio templado. Últimamente también de plástico, cuando menos para fines experimentales. 5. Espárrago de fabricado de acero galvanizado. Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 66 Aislador Ball and Socket Type (Locke Insulator Inc.) Los americanos por su parte, y por otra la Comisión Electrotecnia Internacional (ANSI Standard C29-2- 71, Publicación IEC 305) han estandarizado cierto numero de tipos de aisladores y elementos de cadena, comprendiendo las formas. Igualmente se han determinado las dimensiones de los sistemas de suspención, particularmente en la publicación 120 de la IEC, editada en 1960. Actualmente los sistemas de rotula, "ball and socket" son recomendados por le IEC que han provisto cuatro dimensiones de 11, 16, 20 y 24 mm. También los estándares americanos definen las dimensiones de las ensambladuras de horquilla y espiga, para resistencias mecánicas de 10.000, 15.000, 25.000, 36.000 y 50.000 libras; así como las dimensiones de las ensambladuras de rotula, correspondientes a las tras mayores resistencias mecánicas indicadas arriba, que desgraciadamente son diferentes a las adoptadas por la IEC. Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 67 2. Aisladores de Soporte Se emplean generalmente en sistema de hasta 69 kV, constan o bien de una sola pieza de porcelana, o de varias piezas cementadas entre sí. La superficie del núcleo, sigue, en lo posible, la dirección de las líneas de fuerza y las campanas viene a ser perpendiculares a las mismas, con lo cual se evitan, por un parte, los espacios huecos y con por intenso otra, se flujo de campo la electrostático, consigue que distribución del campo sea aproximadamente la misma en estado seco que en estado húmedo. Con miras a obtener economía de inversión, a veces se reemplazan las cadenas de aisladores por aisladores de un solo cuerpo que es de tipo sólido y hace veces de la cadena Aislante de Subestación Post-Type, para 161 kV pues oscila de su punto de sujeción y aunque no es tan flexible, le permite al conductor sus movimientos en todos los sentidos. Se produce de dos tipos: uno para condiciones normales, y otro con mayor número de pliegues para cuando existe polución. En Norteamérica, se han desarrollado un tipo que además de ser rígido tiene en un extremo un soporte con el cual se puede anclarse al poste mediante tornillos, y en el otro extremo una mordaza de suspensión. Las ventajas de este tipo conocido como Line-Post son que se evita la construcción de los brazos; se ahorra espacio, lo que permite su utilización en zonas urbanas sin que presente Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 68 mucha interferencia, y luego su disposición horizontal lo hace recomendable en zonas donde haya salitre pues se lava fácilmente sin que se produzca contorneos, o bien sea con lluvia o lavado a presión. La principal desventaja es la limitación de tipo mecánico pues al ocupar la posición de un brazo debe soportar los esfuerzos que le transmite el conductor sin posibilidad de moverse. Este tipo de aislador fue usado en la línea que une a la Subestación Coro con la planta de generación de la localidad, principalmente por las condiciones de esa línea que esta prácticamente al borde de los médanos y por supuesto recibe toda la contaminación del mar; de igual forma la electricidad de Valencia emplea en la zona del casco central de Valencia este tipo de aisladores. Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 69 Ejemplo de un Aislante de Subestación Post-Type Post-Type, 35 kV Aislador Los aisladores de tipo soporte también son conocidos como aisladores de cuerpo macizo, ya que están constituido por un cilindro macizo de cerámica provisto de aletas, que tienen en cada extremo una pieza metálica de conexión. Esta pieza puede ser; envolvente en forma de casquete sellado alrededor de los extremos troncoconicos, provistos en el cilindro, o en forma de varilla sellada en una cavidad precisa con este objeto. Los sistemas de conexión entre estos aisladores, o con las torres, o los cables, están formados por rotulas u horquillas como en el caso de los aisladores de caperuza y espiga. En este tipo de aislador la conexión con el conductor es rígida y directamente con pinzas o mordazas. Estos aisladores pueden utilizarse en posición vertical, horizontal u oblicua. Sin embargo, en cada caso particular conviene asegurarse con el fabricante que cada aislador seleccionado, sea instalado en la posición elegida, y que responde a las características deseadas. Este tipo de aislador, puede ser sometido en explotación a tensiones mecánicas de flexión, tracción y compresión, aún de tensiones de torsión algunas veces cercana a la de ruptura del conductor 3. Aisladores Tipo Espiga, Palillo o Pin (Pin Type) Este tipo de aislantes se caracteriza porque la fijación que hacen del conductor es rígida. Hay variedades en cuanto al tamaño y forma de sujetar al conductor; en su gran mayoría requieren de ligaduras, o sea de hilos del mismo material del conductor que amarren este del aislador, gracias a sus formas exteriores; también Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 70 los hay que tiene una pinza o mordaza en el tope estos aisladores tiene una rosca interna que aloja la espiga y a ella se ajusta gracias a una caperuza de plomo que se deforma para asentarse a la cruceta, y sobresale a partir de ella roscada, en una longitud que varia si se trata de cruceta de hierro o madera. No se recomienda ponerlos en ángulos verticales mayores de 4º, ni por supuesto como terminales, amarres o anclajes. Aisladores de Soporte de la firma PIGA El dieléctrico es de vidrio templado, porcelana, y hasta plástico en tiempos recientes. El material de conexión es un mortero de cemento aluminoso o Portland. La forma de la cabeza esta diseñada de tal modo, que los esfuerzos de tracción aplicados al aislador se transforman, tanto como sea posible, en Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 71 compresión en los dieléctricos, ciertas tensiones de cizalladura. La forma socavada interior de la cabeza, necesaria para la fijación del sellado de la espiga, se obtiene sea por el paso de un tornillo que retira después del prensado del dieléctrico, sea por medio de una deformación o elaboración posterior a la formación de dicha cabeza. En el caso del aislador de porcelana, esta socavación puede evitarse aplicando, antes de la cocción partículas de pastas precocidas, las cuales después de la cocción formaran cuerpo con la pieza, permitiendo la fijación del mortero. Este procedimiento es conocido con el nombre de "sandage", se utiliza corrientemente aun ahora. Aislador Típico Pin-Type de 69 Kv Cadenas de Aisladores. En las líneas de transmisión aéreas debido a el alto nivel de tensión eléctrica en la cual operan se hace necesario la utilización de cadenas de aisladores, constituidas por n aisladores en serie, donde el nivel de aislamiento de la cadena es siempre menor que n veces la aislamiento de un aislador solo, y esto Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 72 es más notorio cuando el número de aisladores es grande. El largo de la cadena depende del voltaje, mientras más grande aumenta el largo de la cadena, para cumplir con la distancia mínima, y se requiere una altura mayor en las torres. En el sistema de transmisión de Venezuela, se han normalizado el número de aisladores, según el nivel de voltaje de operación de la línea resultando: Numero de Elementos Aislantes empleados Típicamente por nivel de Voltaje Los valores mostrados en la tabla anterior, son solo muestras representativas típicas, debido a que cada línea posee su diseño particular, en especial en ambientes altamente contaminantes y por encima de los 1000 metros sobre el nivel del mar. Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 73 Curva de Número de Aisladores versus Tensión Aplicada En las cadenas de aisladores se distinguen cuatro tipos principales: La Cadena de Suspensión Simple, empleada en la alineación y en los pequeños ángulos flexibles Cadena de Aisladores Simple de Suspensión Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 74 HERRAJES PARA PROTEGER LOS AISLADORES Adicionalmente a la protección que brinda el cable de guarda y el sistema de puesta a tierra, en las líneas de alta tensión, particularmente en los sistemas de tensión superior a 230 KV, se debe proteger a los aisladores de los arcos eléctricos originados por sobretensiones, por medio de un conjunto de dispositivos de protección, entre los cuales son de uso frecuente: los cuernos de descarga o antenas superiores e inferiores y anillos de protección. Cuernos de Descarga (Arcing Horns) Es un elemento de protección muy simple y económico, formado por 2 electrodos con extremos esféricos conectados a una línea con potencial y el otro a tierra, con cierta separación en aire, que al presentarse una sobretensión suficientemente grande, rompe la rigidez dieléctrica, produciéndose un arco, evitando el daño a los aislamientos. . Figura 1. Cadena de aisladores de suspensión con antenas o cuernos de protección Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 75 Este elemento presenta el inconveniente que al operar, la tensión de línea se va a tierra, requiriéndose una protección de respaldo pues interrumpe la continuidad del servicio. Para su instalación se requiere que el nivel básico de aislamiento al impulso (NBAI) del equipo, sea mayor que el nivel mayor valor de tensión al que operarán los cuernos de arqueo. A su vez, la respuesta es lenta y varía de acuerdo a la calibración o ajuste de separación de los electrodos y a la forma de onda de voltaje. Actualmente la tendencia es al desuso. Sin embargo, existe otro tipo de cuerno de arqueo limitador de corriente, formado por un arillo metálico, colocado en la parte central del aislador y en serie con un apartarrayos, específicamente para protección de línea aérea de cable semiaislado. Fig 2 Cuernos de arqueo en cada lado de una cadena de aisladores de tipo tensional Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 76 Fig. 3 Diferentes tipos de Cuernos de arqueo Los anillos de protección (Grading rings) Sirven de pantalla reguladora del gradiente de potencial mostrados en la figura 4, resultan más eficaces que los cuerno de arqueo. Los ensayos con tensión de choque o impulso demuestran que si el diámetro de los anillos guarda la debida proporción con la longitud de la cadena, puede evitarse la descarga en cascada sobre los aisladores, incluso con ondas de frente muy recto o escarpado. La eficacia de estos anillos consiste en que tienden a igualar el gradiente a lo largo del aislador y a producir un campo más uniforme. Con ello la protección conseguida no se limita simplemente a ofrecer una distancia explosiva más corta para el arco, como en el caso de las antenas o cuernos. Los anillos eficaces son de diámetro más bien ancho, y, tratándose de cadenas de suspensión, debe comprobarse que la distancia a las torres o estructuras sea por lo menos igual que al distancia entre anillos. Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 77 Figura 4. Anillos de protección, reguladores de gradiente de potencial, en una cadena de aisladores de suspensión Una variante del sistema anterior en la que el anillo superior esta sustituido por un juego de dos a cuatro tubos con fusible. La distancia entre los tubos y el anillo inferior puede reducirse, porque en general el arco se apaga en dos o tres periodos de la corriente sin dar lugar a que se dispare el disyuntor de la línea. Es decir, este sistema no solo constituye una protección del aislador, sino que constituye a evitar los disparos o interrupciones de la línea. El inconveniente que limita el uso de este sistema es la necesidad de reponer los fusibles. Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 78 Figura 5 Diversos anillos de protección Fig 6. Anillos de protección en cadena de aisladores Mordazas (Clamp) Las mordazas son los elementos de unión del conductor a las cadenas de aisladores y por lo tanto responden a las funciones de aquellas: hay dos tipos: de suspensión y de amarre; las de suspensión, constituyen un soporte que cuelga de un balancín; para lo cual tienen un cuerpo acanalado unitario con un pasador, y en este canal se aloja el conductor. Mordazas de Suspensión Constituye un soporte, que cuelga de un balancín el cual tiene un cuerpo acanalado con un pasador y en ese canal se aloja el conductor, para evitar el Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 79 desplazamiento del mismo, otra pieza acanalada completa la fijación, apretando el conductor mediante una abrazadera en forma de "U". En las cadenas de suspensión, las mordazas de este tipo están formadas por un elemento tipo ³bandeja´ donde se sostiene por debajo al conductor, y por un segundo elemento que se coloca encima del conductor, apretándolo por medio de tornillos y tuercas o por medio de elementos en forma de ³U´ (brinda), de abajo hacia arriba o de arriba hacia abajo. La empresa venezolana CADAFE emplea las mordazas con brindas de abajo hacia arriba, con el fin de reducir el efecto corona cerca del conductor. Existen básicamente dos tipos de mordaza de suspensión, las que se fijan directamente a la cadena de aisladores por medio de dos brazos y las que se fijan al resto de la cadena por medio de grillete, sobre cuyo pasador pivota la mordaza. La empresa Venezolana CADAFE, emplea fundamentalmente el primer tipo. En función del tipo de conductor que se usa en el país las mordazas son construidas por aleaciones de aluminio fundido. Aunque en condiciones normales las mordazas de suspensión soportan esfuerzos menores a las mordazas de amarre las mordazas de suspensión deben estar diseñada para resistir los esfuerzos en caso de ruptura del conductor. Para evitar el deslizamiento del conductor, una pieza acanalada completa la sujeción apretando al conductor mediante abrazaderas en forma de ³U´. Las dos piezas acanaladas son de un diámetro mayor y un reborde hacia fuera en los sitios en los sitios donde el conductor sale a fin de que cuando se produzcan movimientos no se hagan presiones cortantes al mismo. Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 80 Fig 7 Mordazas de Suspensión El diseño de las mordazas es de gran importancia en cuanto a las funciones que cumple. En este sentido, las mordazas de suspensión deben tener superficies lisas curvas, con un buen acabado externo. El ángulo de salida del conductor debe ser de 20°, de manera de reducir la posibilidad de fatiga y deterioro del conductor. La mordaza debe ser articulada de tal manera que tenga suficiente movimiento al ser desplazada por el viento. Así, el pivotaje de la mordaza debe permitir un movimiento de hasta 45° en la dirección del conductor. Fig. 8 Mordaza de Suspensión Con Grillete Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 81 Mordaza de Amarre La mordaza de amarre es el dispositivo que permite fijar o amarrar mecánicamente el conductor a la cadena de aisladores fijada a la torre. Estas mordazas pueden ser de dos clases, mordazas en las que se corta al conductor (mordazas de tipo compresión) y mordazas en las que no se corta al conductor (mordazas de tipo pistola y mordazas tipo cuña). Sin embargo, las mordazas en la que no se corta el conductor tiene muchas ventajas respecto a las de tipo compresión, en las que si se corta al conductor. En Venezuela se emplean los tres tipos. Sin embargo, la empresa CADAFE, en la actualidad emplea fundamentalmente las que no cortan el conductor, es decir mordazas de amarre de tipo pistola y tipo cuña. y Mordaza tipo de compresión: La mordaza de compresión presenta un orificio donde se inserta el conductor. Por medio de prensas hidráulicas se comprime la mordaza sobre el conductor, dando lugar a que el metal de la mordaza penetre al conductor, formándose una sola pieza. El resultado es un amarre con un buen contacto eléctrico. Sin embargo, posee varios inconvenientes: o En caso de reparación, el tramo de conductor y la mordaza no pueden ser empleados de nuevo, dado a que quedan soldados una vez instalada la mordaza. o La necesidad de cortar el conductor, lo cual obliga a emplear conectores para la continuidad eléctrica. o La necesidad de prensa hidráulica en el momento de la instalación, lo cual aumenta los costos de este sistema además de hacerlo realmente complicado, dado que supone llevar el equipo al sitio donde se encuentra el amarre. o La empresa Venezolana CADAFE, ha decidido no emplear más este tipo de mordaza en sus líneas de transmisión. Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 82 y Mordaza tipo pistola: Este tipo de mordaza está constituida por dos partes (cascaras) en forma de pistola, que se unen por medio de bridas, en donde se inserta el conductor. Esta mordaza no requiere para su instalación de cortar el conductor ni el uso de herramientas o máquinas especiales, como en le caso anterior, Se suelen construir de aluminio fundido o acero galvanizado. La empresa eléctrica CADAFE, emplea este tipo de mordaza en las líneas de 115 kV, construidas en aluminio. Para tensiones superiores este tipo de mordaza resultaren sumamente grandes, por lo que limitan su instalación y en general su utilización. Fig. 9 Mordaza tipo pistola Mordazas de amarre del tipo Cuña: Este tipo de mordaza amarra el conductor mediante un dispositivo formado por dos piezas las cuales se insertan una dentro de la otra. La primera pieza, la interna, de forma típica de cuña posee una garganta donde se introduce al conductor. Esta primera pieza se introduce dentro de la otra, fijada a la torre mediante la cadena de aisladores, produciendo un efecto de cuña, del cual se deriva su nombre. y Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 83 Mordaza Amortiguadora Ha surgido en el mercado un tipo de mordaza de suspensión que es una combinación de un anillo de material elástico recubierto con una varilla de armado expandida, y este conjunto sujeto con una abrazadera de gran sección que le sirve de soporte y de unión a los aisladores. De conformidad a los fabricantes se pueden obtener muy buenos resultados respecto a amortiguar las vibraciones y a la vez el conductor no sufre deterioros. Actualmente no hay mucha experiencia sobre el particular y ya que se trata de un artículo muy nuevo. Razonablemente puede esperarse que los problemas puedan surgir con el material elástico, ya que al encontrase a la intemperie podrían reaccionar desfavorablemente perdiendo su elasticidad. Fig. 10 Mordaza amortiguada Varilla de Armar Tienen por objeto proteger el conductor en las mordazas de suspensión desde el punto de vista mecánico, y también la avería del conductor por descargas en caso de contorneamiento de la cadena de aisladores. Hay países como Italia donde este elemento se considera inoperante y por tal motivo no se utiliza. Cada juego de varillas se coloca helicoidalmente alrededor del conductor hasta cubrirlo totalmente. Las hay de tipo preformado, y también las hay de un tipo convencional Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 84 que requiere la utilización de una llave que se va girando a partir de la mordaza y alejándose de ella con lo cual las varillas van ajustándose alrededor. Fig.11 Varilla de armar Para evitar que se desplacen, se las sujeta con un suncho que originalmente es una ³U´ pero que se lleva a presión hasta formar un anillo de sujeción. En las mordazas de suspensión, la varilla de armar permite reducir los esfuerzos mecánicos que se producen en el conductor en las cercanías de los extremos de la mordaza, la suavizar la curvatura del conductor en el tramo amordazado. Estos esfuerzos mecanismos son el resultado de propio peso del conductor y de los esfuerzos generados por las vibraciones de este. En Venezuela, de acuerdo a los conductores que utiliza la empresa CADAFE en sus líneas, los diámetros exteriores de los conductores, sumados a la varilla de armar, en los puntos de suspensión son los siguientes: Tabla 1. Diámetro de las varillas de armar según tipo de conductor Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 85 Existen opiniones contrariadas sobre la utilidad de las varillas de armado. Algunos especialistas consideran que las varillas son un deposito de contaminación, que facilitan la producción de chispas y no aseguran los objetivos para los cuales se instalan. Otros por el contrario consideran las varillas de armar un instrumento que contribuye a reducir las oscilaciones y así protegen a los conductores en los extremos de las mordazas de suspensión. Manguitos de Separación Cuando los hilos externos de un conductor se estropean durante el montaje y se desea garantizar la continuidad eléctrica del conductor afectado se le da un complemento que consiste en dos medias caña que se ajustan la una dentro de la otra para forma un tubo y para que este no deslice se comprime de manera similar a los empalmes. La diferencia fundamental con aquellos es que el manguito no soporta ninguna tensión mecánica: su función es conducir corriente. Fig. 12 Manguito de Unión Empalmes Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 86 Tienen por objeto permitir la continuidad eléctrica del conductor a la vez que conservan su resistencia mecánica, o sea que pueden ser utilizadas en la mitad de un vano. Fundamentalmente hay dos tipos: el de comprensión y el preformado. Empalmes de Compresión Este tipo requiere la utilización de una prensa hidráulica, la cual puede ser de piso con un compresor o manual dotada de un mango para bombear; la primera permite mayores esfuerzos. Se trata de elementos tubulares el conductor a unir y al ser comprimidos su sección se vuelve un hexágono mediante dos dados que se montan en la prensa, y lo sujetan de tal manera que es imposible sacar la punta del conductor una vez que se ha hecho la compresión. En los conductores grandes de ACSR hay dos elementos, uno para unir el acero y colocado previamente para que después se ubique encima del empalme de acero. Para llenar los intersitios se usa una grasa que entrega la fábrica, o una grasa neutra como vaselina. Fig. 13 Empalme de compresión Empalmes Preformados Son una serie de varillas helicoidales que en conjunto forman un tubo que se ajusta a los extremos de los conductores a unir. En su cara interna tiene una leve textura que les garantiza un mejor agarre; por su forma, si el conductor trata Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 87 de salirse, su diámetro se hace menor aprisionándolo más. El largo del empalme varía de acuerdo al diámetro y al esfuerzo del conductor que une. Este empalme ha demostrado ser bastante seguro y tiene la ventaja de su rápida ejecución del orden de una media hora comparado con las dos horas que requiere el de compresión. PROCESO DE INSTALACIÓN DE UN EMPALME EN FRÍO. 1º) Se posicionan los cables a empalmar de forma que se crucen y se cortan perpendicularmente. 2º) Se limpia la cubierta de los cables en una longitud aproximada de 600mm. 3º) Se tensan los extremos del soporte interior del empalme para facilitar su introducción sobre el cable. 4º) Se enfila el cuerpo del empalme en uno de los cables. Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 88 Corte de la cubierta, semiconductora y aislamiento: 5º) Se retira la cubierta de los cables en una longitud de 240mm. 6º) Se corta el fleje en contraespira a ras de cubierta. 7º) A 50mm del corte de la cubierta, se corta y se retira la capa semiconductora externa. 8º) Se corta y retira el aislamiento del cable en una longitud de A mm a partir de los extremos del cable. Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 89 Unión de los conductores: 9º) Se posiciona el manguito de uníon y se realiza la comprensión. 10º) Se comprueba la cota después de la unión. Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 90 Lubricación: 11º) Se debe lubricar abundantemente la región que comprende el empalme. Posicionado del cuerpo del empalme: 12º) Se retira el plástico de protección interior. 13º) Se coloca el cuerpo del empalme, verificando que las cotas sean iguales. Retirado del soporte interno: 14º) Se retira la cinta elástica de sujeción de los tirantes del soporte. Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 91 Aplicación de la cinta armada (o EPR): 15º) Se le dan tres vueltas de cinta armada desde 65mm a 50mm del corte de la cubierta, para mejorar la adaptación de la envolvente semiconductora del cuerpo del empalme sobre la capa semiconductora externa y el aislamiento del cable. Estanquidad interna: 16º) Se coloca la cinta de sellado sobre el extremo del empalme, aproximadamente de 25 a 30mm. Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 92 Sujeción de la pantalla del cable: 17º) Se extiende la malla de Cobre-Estaño sobre la pantalla de alambres del cable. 18º) Se aplica el muelle de presión constante sobre todo el conjunto (alambre+malla de Cu-Sn) Estanquidad externa: Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 93 19º) Se coloca la cinta de sellado en dos capas. Lubricación: 20º) Se lubrica desde el centro del empalme hasta los extremos de la cinta de sellado. Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 94 Desdoblado del empalme: 21º) Se tiran de los tirantes para despegar la funda externa de la envolvente. Luego se tira longitudinalmente haciendo deslizar la funda externa sobre si misma hasta recubrir el encintado de estanquidad. 22º) Se procede de la misma forma en el otro lado del empalme. Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 95 Capítulo IV Soportes y Catenaria del Conductor ³Se quiere más lo que se ha conquistado con más fatiga´ Aristóteles Postes Se designan con este nombre los soportes de poca altura, de cuerpo vertical único; tales como los postes de madera y hormigón, y algunas veces también a los postes metálicos de gruesos perfiles no ensamblados, destinados a las líneas de media tensión. Los postes metálicos se usan en redes y líneas de sub-transmisión, principalmente porque su fabricación está ubicada económicamente con limitaciones de altura. Un poste que excede de 45 pies ya resulta muy pesado además de elástico. Además estos postes no son auto-soportantes, o sea que siempre van a requerir el complemento de cientos. Eventualmente se usan estructuras las cuales permiten mayores esfuerzos, pero las mismas complicaciones los hace poco competitivos con otras soluciones que permiten vanos mayores; por otra porte es importante el hecho de que al no ser galvanizados sino pintados su mantenimiento es costoso, y deben ser pintados con frecuencia, esto oscila entre 6 meses y dos años, siendo la parte más afectada la sección de empotramiento y la zona de un metro arriba y debajo de la misma, por lo cual se ha adoptado por recubrir dicha parte con una chaqueta de hierro que va soldada al poste. También en este caso hay un exceso de material, porque la sección que se dan muchas veces son originales para evitar aplastamiento y no por los requerimientos del momento flector. El hecho de requerir vientos somete a los postes de hierro a compresiones que no siempre son verticales causando alabamientos o curvaturas. Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 97 Poste simple de hormigón. Los postes de madera resultan de aplicación prácticamente nula, por su difícil consecución; estos postes resultan además poco uniformes y son relativamente pesados. A falta de preservación previa pueden deteriorarse muy rápidamente siendo la sección a ras de tierra la más afectada. Esto en lo que respecta a Venezuela. En países nórdicos tiene gran utilización, inclusive no solamente como postes solos sino como estructuras o torres. La madera como tal tiene el inconveniente de que el grado de humedad le puede afectar su resistencia y por supuesto el proceso de producción requiere de grandes cuidados y técnicas avanzadas que van desde la época apropiada para hacer el corte hasta los procesos de secado e impregnación antes de salir al mercado. En los países nórdicos los postes de madera son muy utilizados ya que en ellos se producen grandes cantidades de coníferas, que por las características de esta madera de combinar esbeltez con alineamiento y además la disposición de los vasos prácticamente rectos, que permite el tratado de los mismos con materias que los ayudan a ser preservados de los agentes que más los atacan, humedad y animales. Las maderas tropicales por su parte, son aptas para producir Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 98 postes porque sus vasos son sinuosos y es difícil lograr un árbol recto y largo como para sacar del un poste razonablemente económico. El concreto ha tenido gran auge en el mundo especialmente en Italia y Alemania como material para los postes, en especial el poste de concreto centrifugado, y en otros como España y Francia el de concreto vibrado. Ha habido ensayos con postes de concreto pretensado y postensado, pero los resultados parece que no han sido competitivos económicamente. En líneas generales la utilización de los postes de concreto está limitada a terrenos planos de fácil acceso pues son relativamente frágiles y pesados. También son muy flexibles. Son muy convenientes en las cercanías del mar porque hasta preservarlos exteriormente con su tapa poros para que el salitre no los penetre y así no deteriore el acero, con lo cual no requieren de mantenimiento. Desde el punto de vista constructivos, pueden hacerse de diferentes longitudes, aumentándose un molde más en la base. Por lo general son estructuras siempre auto soportante. El poste de concreto centrifugado es tronco cónico hueco en su interior, y la pared la forman una armazón de cabillas longitudinales sostenidas en esa posición por anillos intermedios. Para soportar los esfuerzos de torsión es una técnica colocar dos alambres o cabillas helicoidalmente a todo lo largo del poste. En cada caso, la armazón se coloca dentro de un molde al cual se le vacía la cantidad de concreto requerida y de inmediato se somete a rotación, a una velocidad y durante un tiempo determinado; para que la cabilla colocada verticalmente se mantenga siempre a una distancia del borde se le colocan separadores de concreto antes de su vaciado. Una vez que el poste ya se ha centrifugado se pasa a una curación a fin de lograr del concreto una debida resistencia, que por lo general es del orden de los 400Kg/cm2. El poste centrifugado resulta además de pesado un poco desperdiciado al material porque los esfuerzos en las líneas son diferentes transversal o longitudinalmente, y como el calculo debe satisfacerse en su mayor requerimiento, en un sentido quedan desaprovechados. A pesar que puede Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 99 hacerse postes de bastante altura, sobre los 20 metros, y de lograr esfuerzos grandes, más de una tonelada por conductor, y de que para los esfuerzos que se requieren en los amarres y en los ángulos se hacen estructuras que por lo general llevan dos postes pero pueden aumentarse, no se pueden indefinidamente aumentar su tamaño ni los esfuerzos que se les impone: si constructivamente ello es posible, en la práctica eso se traduce en que cada unidad tiene un peso demasiado grande y se crean problemas de transporte al sitio, erección y fijación de una magnitud tal como se entra al campo de los requerimientos de recursos muy costosos siendo preferible buscar otras soluciones. Ejemplo de Postes de Concreto Centrifugado. Los postes vibrados, también utilizan moldes y el sistema varía en que no hay rotación de las piezas sino que se elaboran como una viga cualquiera de concreto. También se debe hacer primero una armazón de hierro, pero dado que su sección es rectangular, la utilización desde el punto de vista de flexión permite con menos material lograr momentos resistentes elevados. Sin embargo, esto implica que el poste solo puede colocarse en una sola dirección en la línea. Su sección impide que se pueda colocar un alambre helicoidalmente y los esfuerzos de torsión que soporta pueden ser apreciables como una pieza, pero nunca se pueden calcular y menos garantizar. Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 100 Poste de Concreto Octogonal. Las limitaciones son similares a los postes de concreto centrifugado, o sea que a partir de los 15 metros las ventajas que tiene vienen a tener como contrapartida el gran peso y su fragilidad. La sección rectangular los hace fáciles de transportar y la colocación de elementos es más fácil también especialmente para combinarlos con las crucetas tradicionales de madera o de hierro y fijación mediante tornillo pasante solamente, para los cuales al poste se le provee en su parte superior una serie de huecos que no le afectan su resistencia. A fin de hacerlo más liviano, no se ha rellenado completamente la sección y el aspecto es el de una escalera, salvo que no es transparente sino que entre armadura hay una capa de concreto menor. Esto a la vez que disminuye el peso tiene el inconveniente de que permite el escalamiento fácil por parte de personas ajenas a las líneas. Este inconveniente se obvio rellenando los espacios vacíos con un concreto pobre una vez de instalados. En Venezuela hasta la fecha el poste se ha empleado más favorablemente en redes y en líneas de sub-transmisión, aunque hay líneas en 115 kV y 30 kV donde se han utilizado. En Venezuela los postes metálicos son muy frecuentemente utilizados, para los sistemas de distribución, siendo ocasionalmente utilizados los de hormigón, en ambientes marinos o de muy alta polución. Los postes son escasamente utilizados en líneas de transmisión, siendo contrariamente preferidos para líneas de subtransmisión (24 y 34.5 kV). En el país hay varias fábricas de postes que suplen la demanda Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 101 nacional, utilizada el metal nacional y su presentación es pintado con pintura anticorrosiva exterior. CATENARIA DEL CONDUCTOR. El conductor para Líneas de Transmisión de potencia, es un tipo particular de miembro estructural y que los ingenieros de estructuras estudian con fines de aplicación en puentes, conductor pasantes , etc. Sin embargo, para la Ingeniería Eléctrica interesa más el comportamiento libre del conductor sometido a lo sumo por efectos de sobrecargas de viento y/o hielo; siendo la flecha, saeta y tiros, etc., las incógnitas más usuales. Un conductor libremente suspendido entre dos soportes describe una curva que es fácilmente deducible y denominada catenaria. La figura adjunta representa un conductor suspendido de los puntos A y B. Si asumimos que el conductor es perfectamente flexible, homogéneo e inextensible bajo la acción de las fuerzas de gravedad con carga continua distribuida a lo largo de él. Podemos tomar un diferencial del conductor y efectuar al análisis correspondiente. Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 102 Sea el pequeño conductor de longitud dl, de peso unitario wc (kg/m), con proyecciones en los ejes dx y dy. Supongamos que en el punto de abscisa x se tiene un tiro de T kG; entonces al desplazarnos un dx en la abscisa el tiro en (x+dx) deberá será de (T+dT) kG. De la misma forma si el ángulo con la horizontal es de u grados sexagesimales, el ángulo de la fuerza (T+dT) con la horizontal, será de (u+du) grados. Por otra parte, siendo wc el peso unitario del conductor (en Kg/m) y asumiendo que muy aproximadamente el conductor es de longitud dx metros; entonces el peso del trozo de conductor será de wcdx kG. Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 103 Por tanto, estando el conductor en equilibrio, la suma de las fuerzas resultantes en los ejes X e Y respectivamente serán nulas; es decir: SFx=0 y SFy=0 que son representadas por las ecuaciones: (T+dT)cos(U +dU)= T.cosu (T+dT)sen(U +dU )= T.senu + wcdx al desarrollar el coseno y seno trigonométricos de la suma (U +dU), obtenemos: (T+dT)(cosU .cosdU ± senU.sendU)= T.cosU (T+dT)(senU.cosdU + cosU.sendU )= T.senU + wcdx Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 104 siendo la variación del ángulo u (u 0) muy pequeño, entonces podemos aproximar y escribir: cosdU = 1 sendU = dU por lo que las igualdades se transforman en: (T+dT)(cosU ± senU dU ) = T.cosU (T+dT)(senU + cosU dU ) = T.senU + wcdx efectuando el producto indicado en las ecuaciones, obtenemos: T.cosU - T.senU dU + dU. cosU - dT.senU d U = T.cosU T.senU + T.cosU d U + dT.senU + dT.cosU dU = T.senU + wcdx en donde eliminando términos iguales y tomando en cuenta que: -T.senU dU + dT.cosU = d(T.cosU ) T.cosU dU + dT.sen U= d(T.senU ) entonces: d(Tcos U) - dT.senUdU = 0 d(TsenU ) + dT.cosU d U= wcdx en el límite, para una muy pequeña variación de T; entonces dT 0, por tanto: d(T. cos U) = 0 .............................................................................................(1) d(T .senU ) = wcdx .......................................................................................(2) Siendo T el tiro (KG) en el punto del conductor de abscisa x, formando un ángulo de u grados con la horizontal; la ecuación (1) nos indica que el valor T Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 105 COSU es una constante, por cuanto su diferencial es nulo; y entonces podemos afirmar que: " El tiro horizontal (en KG) en cualquier punto del conductor es constante a lo largo de él". Sea, entonces To ese valor constante, es decir: T.cosu = To ........................................................................................(3) de donde: T! U Si esta ecuación, la reemplazamos en la ecuación (2) obtenemos: d U U = w dx o también: d T tg U !w dx .............................................................................(4) pero como : = tgU entonces: ....................................................................................(5) d «««««««««««««««««...........(6) Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 106 Siendo To constante y pasando dx al primer miembro de la ecuación (6) obtenemos: que es lo mismo que: .................................................................................................(7) Siendo wc y To constantes, entonces supongamos que: C= .....................................................................................................(8) por lo que la ecuación (7) se transforma en: ««««««««««««««««««««««««««««(9) y al resolver esta ecuación diferencial de segundo orden, fácilmente obtenemos: cosh por tanto: ««««««««««««««..««««««««......(10) y= C cosh ««««««««««««««««««««««««««(11) Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 107 que es la ecuación de la catenaria que describe al conductor suspendido. Siendo C el parámetro de la catenaria cuyas dimensiones son en metros. Por otra parte, si x=0, entonces y=C, lo que significa que el punto más bajo ó vértice de la catenaria se encuentra a C unidades lineales (metros) del origen de ejes coordenadas cartesianas. La figura adjunta muestra la Catenaria, cuyo vértice se encuentra a C metros por encima del Orígen de Coordenadas. También si recordamos que desarrollando por Serie de Taylor: Cosh p=1+ + ««««. por lo que la catenaria o ecuación (11), se puede escribir: Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 108 y=C si sólo tomamos dos términos: y= C o también y=C+ Esta ecuación corresponde a la parábola, generalmente utilizada en estudios de Distribución Urbana o Líneas de Electrificación Rural, a tensiones medias (por ejemplo en 22,9 Kv). Si consideramos el valor del parámetro obtenemos. Y= Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 109 Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 110 ECUACIÓN DE LONGITUD. En Líneas de Transmisión de Potencia, es necesario conocer la longitud del conductor suspendido entre dos puntos, por cuanto la longitud total se empleará para estimar el costo inicial del proyecto. Anteriormente hemos deducido que, para la pequeña longitud de conductor (dl): dl = catenaria (11), deducimos el dy: pero también de la ecuación de la dy = senh dx que reemplazando en la ecuación (13) dl= = 1 pero como: entonces la ecuación se transformara dl = cosh En la figura inferior, se muestran las abscisas de los extremos del conductor que son -a/2 y +a/2, siendo "a" el vano o distancia horizontal entre los dos puntos Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 111 de suspensión. Por lo que será necesario integrar en el intervalo [-a/2 , +a/2], que representan el centro de las bases de las estructuras de los extremos: Dl= que es igual a Dl= Por lo tanto L¶=2Csenh que representa la longitud total del conductor instalado con sus extremos al mismo nivel. Podemos encontrar una ecuación de longitud aproximada, obtenido en base a la expansión de Taylor: Senh p = p + transforman en: por lo tanto la ecuación se L¶ = a+ entonces; (a) si consideramos la ecuación (8) Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 112 L¶ = a + (b) Las ecuaciones (a) y (b) son sólo aproximadas y muy utilizadas en Líneas de Distribución Urbana o Electrificación Rural. Por otra parte observe que la Longitud L´ del conductor es de la forma L´= a + Da, por lo que necesariamente las ecuaciones muestran que L´> a. ECUACIÓN DE FLECHA. Denominamos flecha a la máxima distancia vertical entre el segmento que une los extremos del conductor y éste. En el caso de conductores a nivel, la flecha se ubica a medio vano y sobre el eje de ordenadas. Este concepto es muy importante, ya que los conductores son instalados en el campo teniendo disponible la ³Tabla de Flechas´ para el tendido. La flecha es la diferencia de Ordenadas entre los puntos de suspensión y la ordenada del Vértice del conductor. Por tanto: f´= yB ± C Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 113 O también f C ´= cosh xa = +a/2 al reemplazarla obtenemos; f = C cosh -C entonces; f µ= (cosh que representa la ecuación o fórmula que determina la flecha de un conductor suspendido con vano "a" metros y parámetro de catenaria igual a "C" metros. Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 114 Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 115