fundamentos de lineas de transmision
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FUNDAMENTOSFUNDAMENTOS PARA LÍNEAS DEPARA LÍNEAS DE TRANSMISIÓNTRANSMISIÓN
Carlos V. Chávez Q.Carlos V. Chávez Q.Mayra V. Pereira C.Mayra V. Pereira C.
Wilmer MéndezWilmer MéndezHéctor TorresHéctor Torres
Capítulo IRutas para Líneas de Transmisión
“Los 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.
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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.
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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.
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Condiciones climáticas: Velocidad de viento, temperatura, nivel
isoceraénico.
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.
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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.
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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.
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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 ΣC, ΣI, ΣA en una
manera lógica para permitir la evaluación de cada una de las alternativas de ruta,
utilizando como base los índices combinados.
Para obtener esta evaluación compuesta de índices, en nuestro estudio,
como primer paso se calcula el “beneficio 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 (ΣA) tiene un alto impacto en el
medio ambiente y por lo tanto tiene un bajo beneficio para el área. Usando la
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relación: B = 1/ΣA, la cantidad (B) se calcula y tabula para cada una de las
alternativas.
Considerando que cuando ΣA 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 = ΣC/B. Para cada alternativa cuando ΣC 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 (ΣI) para obtener el Índice Compuesto CI = CM (ΣI) para cada una de
las alternativas. Cuando CB es máximo y ΣI 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 = (ΣC) (ΣA) (ΣI) 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 (ΣC, ΣI, ΣA, 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 ΣC, ΣI, ΣA, 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:
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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 “Baja” o “Media” 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 multi-
criterio, 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 IIConductores Utilizados En Líneas
de Transmisión
“Cualquier 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 − 3n +1
# alambres = 3(n2 − n )2+1
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 − 3n +1
# alambres = 3(n2 − n )2+1
• Un conductor de "n" capas, de alambres, :
#alambres = 3n2 − 3n +1
# alambres = 3(n2 − 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:
Conductividad del 97% respecto a la del cobre puro.
Resistividad de 0,018 ( x mm 2 ) a 20 ºC de temperatura.
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:
Conductividad del 100%
Resistividad de 0,01724 = 1 ( x mm 2 ) respecto del cobre puro, tomado
este como patrón.
Carga de ruptura media de 25 kg/mm2.
Como es dúctil y flexibe se utiliza en la fabricación de conductores aislados.
El conductor está identificado en cuanto a su tamaño por un calibre, que
puede ser milimétrico y expresarse en
Cap. II. Conductores. Pág. 26
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:
El alma o elemento conductor.
El aislamiento.
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:
Líneas aéreas de redes urbanas y suburbanas.
Tendidos aéreos de alta tensión a la intemperie.
Líneas aéreas de contacto para ferrocarriles y trolley-buses.
Alambres y cables de cobre con aislación
Estos son utilizados en:
Líneas aéreas de distribución y poder, empalmes, etc.
Instalaciones interiores de fuerza motriz y alumbrado, ubicadas en
ambientes de distintas naturaleza y con diferentes tipos de canalización.
Tendidos aéreos en faenas mineras (tronadura, grúas, perforadoras, etc.).
Tendidos directamente bajo tierra, bandejas o ductos.
Minas subterráneas para piques y galerías.
Control y comando de circuitos eléctricos (subestaciones, industriales, etc.).
Tendidos eléctricos en zonas de hornos y altas temperaturas.
Cap. II. Conductores. Pág. 28
Tendidos eléctricos bajo el agua (cable submarino) y en barcos
(conductores navales).
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
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).
Cap. II. Conductores. Pág. 29
• 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 Seccion Diametro Kg/Km
AWG mm mm cobre aluminio
36 0.0127 0.127 0.1126
30 0.0507 0.254 0.4505
24 0.205 0.511 1.820
16 1.31 1.29 11.63 3.53
14 2.08 1.63 18.51 5.62
12 3.31 2.05 29.41 4.94
10 5.261 2.588 46.77 14.22
8 8.367 3.264 74.38 22.62
2 33.62 6.543 298.9 909.89
1 42.41 77.348 377 114.6
1/0 53.49 8.252 475.5 144.6
4/0 107.2 11.68 953.2 289.8
• 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
• El menor calibre definido en el sistema de circular mils es de 250 mcm,
siendo crecientes los calibres en pasos de 50 mcm.
Cap. II. Conductores. Pág. 32
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
corrientes de régimen permanente estable, y bajo las solicitaciones de
cortocircuito establecidas.
Cap. II. Conductores. Pág. 33
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 “resistencia 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 “AR [%]”
Donde:
l: Longitud después de la rotura
l0: longitud inicial
S0: Sección transversal inicial
Cap. II. Conductores. Pág. 34
En la Tabla 4.1 se realiza una comparación de las propiedades más
importantes
de los materiales más usados “Al 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 “Al, Cu, Acero, etc.”
ρmaterial: 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 “Al, Cu, Acero, etc.”
σmaterial: 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 “Al, Cu, Acero, etc.”
Smaterial: sección del conductor
dmaterial: densidad del material
Para el Al:
Para el Cu:
Cap. II. Conductores. Pág. 38
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 “Al, 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 “2008” 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
“que 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 “mientras 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 “0.5 a 0.6 %
aproximadamente” y gracias a una combinación de tratamientos térmicos y
mecánicos adquieren una carga de ruptura que duplica la del aluminio
“haciéndolos comparables al aluminio con alma de acero”, perdiendo solamente
un 15% de conductividad “respecto 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: “Diseños homogéneos”, conductor de aleación de aluminio.
- ACSR: “Diseños 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 “air 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 “galloping” por causas eólicas y
proporciona baja vibración en las líneas de transmisión.
CONDUCTOR DE ALUMINIO, CLASES AA, A, B, C “A.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 “E” y el coeficiente de dilatación lineal “α”, 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 “ligados 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 “Al/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 IIIAisladores y Herrajes
“Pensar 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 δ se le conoce con el nombre de ángulo de pérdidas y a
tagδ=Ia/Ir se le denomina factor de pérdidas. La componente Ia es la causante del
calentamiento del aislador.
Las características que definen a un aislador son:
Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 57
• 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
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
Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 59
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
Vidrio: A partir de 1935, se utilizó el templado para los dieléctricos de vidrio,
obteniéndose piezas con gran resistencia mecánica. Esencialmente los
Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 60
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.
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
Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 61
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
elastómeros de silicón parecen arrojar mejores resultados en un margen de
temperatura comprendido entre 60º y +180ºC.
Cap. III. Aisladores y Herrajes. Pág. 62
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.
Aplicación 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 Suspensión, Tipo
Campana Espárrago (Ball and Socket
Type)
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
con intenso flujo de campo electrostático, y por otra, se
consigue que la 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 Aislador
Post-Type, 35 kV
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
“bandeja” 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 “U” (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 “U”. 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.
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
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.
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 “U” 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 IVSoportes y Catenaria del Conductor
“Se 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( +d)= T.cosu
(T+dT)sen( +d )= T.senu + wcdx
al desarrollar el coseno y seno trigonométricos de la suma ( +d), obtenemos:
(T+dT)(cos .cosd – sen.send)= T.cos
(T+dT)(sen.cosd + cos.send )= T.sen + wcdx
Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 104
siendo la variación del ángulo u (u0) muy pequeño, entonces podemos
aproximar y escribir:
cosd = 1
send = d
por lo que las igualdades se transforman en:
(T+dT)(cos – sen d ) = T.cos
(T+dT)(sen + cos d ) = T.sen + wcdx
efectuando el producto indicado en las ecuaciones, obtenemos:
T.cos - T.sen d + d. cos - dT.sen d = T.cos
T.sen + T.cos d + dT.sen + dT.cos d = T.sen + wcdx
en donde eliminando términos iguales y tomando en cuenta que:
-T.sen d + dT.cos = d(T.cos )
T.cos d + dT.sen = d(T.sen )
entonces:
d(Tcos ) - dT.send = 0
d(Tsen ) + dT.cos d = wcdx
en el límite, para una muy pequeña variación de T; entonces dT0, por tanto:
d(T. cos ) = 0 .............................................................................................(1)
d(T .sen ) = 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
COS es una constante, por cuanto su diferencial es nulo; y entonces podemos
afirmar que:
Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 105
" 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 ¿cos
Si esta ecuación, la reemplazamos en la ecuación (2) obtenemos:
d( ¿ sencos )= w dx o también:
dT tg w dx .............................................................................(4)
pero como :
dydx
= tg ....................................................................................(5)
entonces:
d(T dydx )=w dx ……………………………………………...........(6)
Siendo To constante y pasando dx al primer miembro de la ecuación (6)
obtenemos:
Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 106
ddx ( dy
dx )=wT
que es lo mismo que:
d2 ydx2 =
wT
.................................................................................................(7)
Siendo wc y To constantes, entonces supongamos que:
C = Tw .....................................................................................................(8)
por lo que la ecuación (7) se transforma en:
d2 ydx2 =
1C
…………………………………………………………………………(9)
y al resolver esta ecuación diferencial de segundo orden, fácilmente obtenemos:
cosh( XC )= y
C ……………………………………..……………………......(10)
por tanto:
y= C cosh( XC ) ……………………………………………………………………(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+P2
2 !+ P4
4 !+ P6
6 ! + ………….
por lo que la catenaria o ecuación (11), se puede escribir:
y = C (1+( xC2
2
)2 !
+( x
C4
4
)4 !
+……… …….)
Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 108
si sólo tomamos dos términos:
y= C(1+ x2
c2
2! ) o también y = C + x2
2 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=T owo
+ X2 Wc2¿
¿
Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 109
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 =√ (dx ) 2+(dy )2 pero también de la ecuación de la catenaria
(11), deducimos el dy:
dy = senh( xc )dx que reemplazando en la ecuación (13)
dl=√((dx )2+(senhxc
dx)2
) pero como:
cos h2( xc )−sen h2( x
c )= 1 entonces la ecuación se transformara
dl = cosh( xc )dx
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. 110
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=∫−a
2
+a2
cosh ( xc¿)dx ¿ que es igual a Dl=2∫
0
+a2
cosh ( xc¿)dx¿
Por lo tanto L’=2Csenh( a2c ) 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 + p3
3!+ p5
5 !+ p7
7 !+……. . por lo tanto la ecuación se transforman
en:
L’ = a+ ( a3
24 c2 ) (a) si consideramos la ecuación (8)
entonces;
Cap. IV. Soportes y Catenaria del Conductor. Pág. 111
L’ = a + ( a3 Wc2
24¿2 ) (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 “Tabla 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. 112
O también f C ´= cosh( XaC )
xa = +a/2 al reemplazarla obtenemos;
f = C cosh( a2C ) - C entonces;
f ‘= (cosh( a2C )−1¿
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. 113