Todo Sobre Vibraciones en Líneas de Alta TensiónPablo Jiménez Pinto. Universidad de Chile, Departamento de Ingeniería Eléctrica. Taller de Proyectos II. Abstract: las líneas de alta tensión, por causas ambientales, se ven sometidas a esfuerzos mecánicos en todos sus componentes. Los conductores, aisladores, torres y ferreterías, se ven tensionados en as, distintas direcciones cuando el viento choca contra la superficie de todos ellos. En particular, la fuerza del viento sobre los conductores puede provocar vibraciones en estos, las cuales pueden tener efectos mecánicos considerables. En este paper, se estudian dos tipos de vibraciones que se dan en los conductores de las líneas de alta tensión. El primer tipo de oscilaciones son las de alta frecuencia, las cuales pueden provocar fatiga y daño en las hebras de los conductores. El segundo tipo es el conocido efecto galloping el cual es provocado por la acción del viento y la formación de hielo en los conductores y, de ser excesivo, puede provocar daños importantes en una línea de AT. En ambos casos, se estudi estudian los orígenes físicos de las vibraciones se vibraciones, muestran los efectos prácticos, y se ran exponen las tecnologías existentes para prevenir daños desde el punto de vista del diseñador de las líneas. I. Vibraciones de Alta Frecuencia I.1 Origen Físico Supongamos un viento moderado en dirección horizontal que golpea el conductor de una línea de transmisión. Supongamos además por simplicidad que la línea está configurada con un solo conductor por fase. Al chocar el viento con la sección circular del conductor, el líneas de flujo , del viento se curvan haciendo que al l ciendo lado contrario del choque se produzca un vórtice (como en el lavamos al juntarse o lavamos) nuevamente las líneas de flujo. Ver la e siguiente figura: La posición y sentido del vórtice son muy inestables y, debido a las s perturbaciones naturales del viento, cambian de arriba abajo alternadamente, y así también cambia el sentido de giro del vórtice. Esta variación en la posición y p sentido de giro del vórtice produce fuerzas alternas sobre el conductor, es decir, una un vibración mecánica. La fuerza ocurre en la ibración dirección vertical (si el viento es horizontal) y se transmite a lo largo de todo el conductor. La frecuencia de estas uencia vibraciones están generalmente en el rango de 5 a 60 Hz. Las amplitudes son imperceptibles al ojo humano y se vuelven no dañinas para el conductor cuando son comparables con el diámetro del conductor. las hebras del conductor se calienta. Estos separadores. Por ejemplo. Cuando se utilizan más de un conductor por fase. viento: conductores. se forman puntos calientes que se traducen en pérdidas óhmicas en la l línea de transmisión. Formas de Amortiguación y Monitoreo El diseñador de la configuración mecánica de la línea debe tener en consideración onsideración la prevención de oscilaciones de alta frecuencia p por los daños que se mencionaron. a . se pueden utilizan separadores no rígidos o separadores amortiguadores. Además de producirse daños en las s hebras de los conductores. Para reducir la amplitud de las vibraciones de alta frecuencia se utilizan amortiguadores stockbridge como se stockbridge. la siguiente figura muestra el daño causado por las vibraciones de alta frecuencia en dos soportes U que fueron utilizados en una línea de AT por 6 años: I.La siguiente figura muestra la formación del vórtice al chocar el viento car contra un cilindro. y eventualmente se cortan. dada la periodicidad del movimiento. En la figura anterior se muestra una configuración asimétrica que a busca cambiar la frecuencia de oscilación sca propia de los conductores. muestra en la figura siguiente: Al cortarse una o varias hebras del conductor. la curvatura en que se flecta el conductor es más pronunciada y. se produce fatiga en las ferreterías que soportan los icación La ubicación óptima de los amortiguadores es un tema abierto y no resuelto del todo. Además de disminuir las capacidades de tensión mecánica del conductor.2 Efecto en las Líneas AT Puede ocurrir que las amplitudes de estas vibraciones sean considerablemente altas. En los puntos en que el conductor está suportado por los do aisladores. fatigan. Ver la siguiente figura: III. provocando que el conductor se flecte alternamente en una dirección y otra en el plano vertical. analizado en un túnel de . Están calculados para que se disipe energía en este movimiento relativo. Además de hacer las consideraciones pertinentes en el diseño mecánico de las líneas. de cierta velocidad. Esto provoca que ante un viento transversal constante.diferencia de los separadores rígidos. A partir de estos datos se puede evaluar el Cuando se forma hielo sobre los conductores. Cabe señalar que es mucho más difícil predecir las vibraciones de alta frecuencia cuando se utilizan varios subconductores por fase. Un ejemplo de estos equipos se muestra en la siguiente figura: II. se han desarrollados equipos de monitoreo de vibraciones de conductores. permiten un movimiento relativo entre los subconductores de cada fase por medio de resortes y/o gomas. El viento necesario para provocar . Un ejemplo de separador amortiguador (spacer dampers en inglés) para un haz de 3 subconductores y otro para 4 subconductores se muestran a continuación: desempeño de los sistemas de amortiguamiento y. se produces en líneas de AT aéreas de uno o varios conductores por fase por efecto del viento y la formación de hielo sobre los conductores. Estos equipos se instalan generalmente colgando de los conductores y registran las frecuencias. El nuevo perfil presenta formas irregulares que suelen ser aerodinámicamente inestables. Generalmente. las oscilaciones son en el plano vertical y las amplitudes pueden llegar hasta la distancia entre conductores de dos fases distintas. Vibraciones de Baja Frecuencia II. Para ello se proponen constantemente modelos matemáticos para predecir con mayor exactitud estas oscilaciones en los conductores. eventualmente. amplitudes y periodicidad de las oscilaciones de los conductores.15 a 1. conocidas como galloping. Las frecuencias de estas oscilaciones típicamente son de entre 0. hacer modificaciones en su diseño.1 Origen Físico Las vibraciones de baja frecuencia en las líneas de AT. lo cual se traduce en una amortiguación de las vibraciones de alta frecuencia. se modifica el perfil transversal originalmente circular del conductor.0 Hz. pero no siempre. se produzcan oscilaciones mecánicas de los conductores de amplitudes considerables fácilmente detectables por el ojo humano. Esto. existen distintos métodos para reducir el galloping en las líneas de AT. II. En un caso más extremo. lo cual habla por sí solo de la buena calidad de la ingeniería de alta tensión nacional. La foto que se muestra a continuación da cuenta de la caída de varias torres de una línea de AT en Quebec. en el mejor de los casos. Los hay del tipo simétricos y asimétricos. es decir. La foto que se muestra a continuación muestra la caída de varias torres de AT. Luego tiene un eje flexible horizontal que sostiene dos masas. el galloping puede provocar que las oscilaciones se transmitan a las torres con una amplitud y frecuencia tal que todo el sistema resuena mecánicamente resultando en la destrucción de una o varias estructuras.este efecto es del orden de 7 m/s o superior. Canadá en 1998 producto de una tormenta de hielo y viento: Cabe mencionar que en Chile nunca se ha producido la caída de una torre de AT por causas no intencionales. con masas iguales y distintas. el galloping puede provocan que conductores de distintas fases se acerquen demasiado provocando corto circuitos entre dos o más fases. el galloping puede ser de una amplitud tal que los esfuerzos dinámicos en las cadenas de aisladores supere la resistencia mecánica de estos provocando que uno o más aisladores se rompa. En general.3 Métodos para evitar el Galloping Actualmente. los simétricos tienden a crear un nodo en su posición. Los amortiguadores asimétricos tienen pesos distintos a cada lado. En el peor de los casos. Entre los amortiguadores. Su rendimiento se hace menos efectivo a medida que la oscilación del conductor se acerca a la frecuencia propia del amortiguador. los más utilizados son los de tipo stockbridge como el que se muestra a continuación: El amortiguador stockbridge está formado por una mordaza que lo sujeta al conductor. II. respectivamente. También su rendimiento se ve disminuido cuando el conductor mueve muy fácilmente el amortiguados (amortiguador muy liviano en comparación con el conductor). repercute en una interrupción del suministro por la operación de las protecciones de la línea. En . Esto repercute en una interrupción de suministro de hasta varias horas debido a lo que significa cambiar un aislador en una línea de AT. La mayoría de los métodos consisten en instalar dispositivos que amortiguan las oscilaciones ya sea disipando energía (amortiguadores propiamente) o cambiando las frecuencias de oscilación propias de las líneas.2 Efectos en Líneas de AT En una primera etapa. un punto que permanece estático. el problema del galloping es un tema aun abierto. De esta manera. En la imagen se muestra uno de estos amortiguadores aerodinámicos para haces de dos subconductores por fase. que también sirven como espaciadores: se han desarrollado. Referencias [1] Wang. Esta torsión hace que el conductor se gire sobre sí mismo haciendo que todo el perfil del conductor sea expuesto al viento. Lilien. las formas irregulares del perfil del conductor producto de la formación de hielo anulan su efecto aerodinámico ya que en el largo de un vano se tiene casi todo el perfil del conductor expuesto hacia el viento. Otros métodos más innovadores para atenuar las oscilaciones por galloping . No. los espaciadores amortiguadores no rígidos que se utilizan para amortiguar las oscilaciones de alta frecuencia. no sirven para evitar el galloping ya que están diseñados para disipar energía a una frecuencia mucho mayor a las de galloping. tienden a hacer la respuesta en frecuencia de la línea más plana (respuesta en frecuencia mecánica).general. 13. July 1998 [2] [3] http://www. cuando se disponen a distancias distintas de la cadena de aisladores. OVERHEAD ELECTRICAL TRANSMISSION LINE GALLOPING. Otros mecanismos para suprimir las oscilaciones tipo galloping son los amortiguadores aerodinámicos. Estos amortiguadores funcionan generando una torsión a partir de la fuerza que el viento ejerce sobre ellos.havardengineering. IEEE Transactions on Power Delivery. en general.arproducts. Vol.com Salvo estos espaciadores amortiguadores aerodinámicos. En conclusión.org http://www. Entre ellas se pueden mencionar otros amortiguadores aerodinámicos que se oponen al movimiento de los conductores mediante una fuerza aerodinámica que se acomoda a la dirección en que se mueve el conductor. 3.