DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA. Y
B
A
S
D(x,y)
C
0
X
Manual del Participante Basado en las especificaciones de Comisión Federal de Electricidad Enero ’10
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
CONTENIDO Objetivos del curso ………….………………………………………..…………….……. Introducción………………………………………………………………..………………..
TEMA 1. INTRODUCCIÓN TRANSMISIÓN
AL
DISEÑO
ELECTROMECÁNICO
DE
04 05
LÍNEAS
1.1- Conceptos y definiciones.................................................................................... 1.2- Componentes básicos de una Línea de Transmisión…...................................... 1.3- Tensiones normalizadas en los sistemas de transmisión………..………………. 1.4- Planos de planta perfil y proyecto…………………………………….……………..
DE
07 08 28 29
TEMA 2. CRITERIOS PARA SELECCIONAR LOS DISEÑOS MECÁNICOS PARA CABLES: CONDUCTORES, GUARDA CONVENCIONAL Y FIBRA ÓPTICA. 2.1- Parámetros que determinan el uso de una estructura…………………….………. 2.2- Ecuación de la catenaria………………….............................................................. 2.3- Datos básicos de partida y parametrización de la trayectoria de la Línea de Transmisión…………………………………………………………………………………… 2.4- Hipótesis de diseño…………...…………………….………………………….………. 2.5- Ecuación de cambio de estado… ……………………………………………...…….. 2.6- Coordinación de catenarias entre cables; conductor y de guarda…..……………..
34 36 37 41 42 45
TEMA 3. DISEÑO ELÉCTRICO DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN 3.1- Parámetros de la descarga atmosférica utilizando en el diseño de las Líneas…. 48 3.1.1.- Densidad de rayos a tierra…………………........................................................ 48 3.1.2.- Número de descargas que inciden en una Línea de Transmisión……………… 50 3.1.3.- Impedancia Transitoria de cables de guarda, conductores, torres y sistema de tierra…………...……….………………………………………………………………………. 53 3.2.- Determinación del ángulo de blindaje para obtener un índice de salida deseado………………………………………………........................................................ 59 3.2.1.- Ángulo de blindaje…………………………………………………….……………… 59 3.2.2.- Modelo electrogeométrico………..………………………………….……………… 60 3.2.3.- Índice de salidas en Líneas de Transmisión por falla de blindaje…….………… 64 3.3.- Determinación de la resistencia a tierra para la obtención de un índice por flameo inverso…………………….…………………………………………………….……………… 65 3.3.1.- Flameos inversos…………………..………………………………….……………… 65 3.3.2.- Número de salidas por flameos inversos…………………………..…….………… 65 3.3.3.- Sistemas de conexión a tierra, esquemas y mejoramiento de los valores de resistencia.…………………………………………………...………………..…….………… 66
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CONTENIDO 3.4.- Coordinación de aislamiento………………………………………………….………. 3.4.1- Distancias criticas de flameo de fase a tierra…………………............................. 3.4.2.- Determinación de la longitud de aisladores por rayo…..………………………… 3.4.3.- Determinación de la longitud de aisladores por maniobra...…………….………. 3.4.4.- Por contaminación……………………………………………………………......…..
70 70 73 73 74
TEMA 4. LOCALIZACIÓN DE ESTRUCTURAS SOBRE EL PERFIL TOPOGRÁFICO 4.1.- Plantillas para localización de estructuras……………….……………….…………. 4.2.- Criterios de diseño para Líneas de Transmisión……………….............................. 4.3.- Planos de localización de estructuras………………………………………………… 4.4.- Perfiles en cruz y determinación de extensiones..………….………………………. 4.5.- Lista de distribución de estructuras………………………………………………..…. 4.6.- Cálculo de flechas y tensiones……………………………………………………..….
79 84 86 88 91 92
Conclusión general ….. ……………………..……………..………………………….……... 98 Bibliografía………..……………………………………………………………………... …….. 99
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OBJETIVO GENERAL Al finalizar el curso, el participante contará con los elementos básicos para el diseño electromecánico de Líneas de Transmisión de acuerdo a las especificaciones de CFE.
OBJETIVOS PARTICULARES: TEMA 1 ¾ Al finalizar el tema, el participante identificará los conceptos básicos para el diseño electromecánico de una Línea de Transmisión de acuerdo a las especificaciones de CFE.
TEMA 2 ¾ Al finalizar el tema, el participante calculará el diseño mecánico para cables conductores de acuerdo a las especificaciones de CFE.
TEMA 3 ¾ Al finalizar el tema, el participante distinguirá los aspectos del diseño eléctrico a considerarse en una Línea de Transmisión de acuerdo a las especificaciones de CFE.
TEMA 4 ¾ Al finalizar el tema, el participante realizará la localización de estructuras de una Línea de Transmisión sobre el perfil topográfico de acuerdo a las especificaciones de CFE.
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INTRODUCCIÓN Derivado de los compromisos de la institución de consolidar nuestros niveles de calidad de una empresa de clase mundial, es determinante desarrollar el capital intelectual, enfocado a ser más competente en nuestro ámbito y con ello lograr una mejora continua en nuestros procesos. Esto nos motiva evaluar los resultados obtenidos y medir el cumplimiento de nuestras metas internas en nuestros centros de trabajo, y con ello poder identificar las áreas de oportunidad para tomar acciones tendientes a transformar nuestras debilidades en fortalezas. En el transcurso de estas sesiones identificaremos los elementos y aspectos a considerarse para estar en condiciones de elaborar un Diseño Electromecánico de Línea de Transmisión, de acuerdo a las especificaciones de Comisión Federal de Electricidad. Todo esto es posible con tu participación y compromiso durante el desarrollo de este curso, así como en la aplicación de los conocimientos adquiridos para definir la metodología para el diseño electromecánico de Líneas de Transmisión. A fin de lograr lo anterior, el curso se estructura a partir de identificar los conceptos y definiciones básicas referentes al diseño electromecánico de Líneas de Transmisión, después calcularemos las catenarias para cables conductores, continuaremos con los aspectos de diseño eléctrico y finalmente localizaremos las estructuras de una Línea de Transmisión sobre el perfil topográfico.
Cuando se sabe una cosa sostener que se sabe y cuando no se sabe admitirlo, ese es el verdadero conocimiento. Confusio
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TEMA 1. INTRODUCCIÓN AL DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN Objetivo Específico: Al finalizar el tema, el participante identificará los conceptos básicos para el diseño electromecánico de una Línea de Transmisión de acuerdo a las especificaciones de CFE. En este tema se proporcionará al participante las definiciones de los conceptos básicos relacionados con el diseño electromecánico, los cuales nos posicionará como punto de partida, por lo que iniciaremos de lo esencial, para irnos familiarizando con los términos que en lo subsiguiente se tocaran a mayor detalle. Para cumplir nuestro objetivo de aprendizaje, seguiremos la siguiente secuencia: ; ; ; ; ; ; ;
Definición de una Línea de Transmisión. Concepto de generación. Concepto de Transmisión. Concepto de centros de consumo. Componentes básicos de una Línea de Transmisión. Tensiones normalizadas en los sistemas de transmisión. Planos de planta, perfil y proyecto.
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1.1. CONCEPTOS Y DEFINICIONES DEFINICIÓN DE LÍNEA DE TRANSMISIÓN AÉREA.- Es aquella que esta constituida por conductores desnudos en una determinada disposición en el espacio, que a su vez forman circuitos que se encuentran aislados en aire mediante accesorios de vidrio, porcelana y sintéticos, suspendidos y/o rematados en estructuras de soporte, localizadas a lo largo de una trayectoria. Que tienen como finalidad transportar la energía eléctrica desde los puntos de generación hasta los puntos de transformación y finalmente a los centros de consumo.
Estructura del sistema de suministro de energía eléctrica
GENERACIÓN.- Principio de conversión de energía mecánica en eléctrica, mediante el accionar de un generador, el cual aprovecha distintos agentes para producir este movimiento, de ello dependerá el nombre que describa a la central, por ejemplo: HIDROELECTRICAS, TERMOELECTRICAS, GEOTERMOELECTRICAS, NUCLEOELECTRICAS, EOLICAS, ETC. TRANSMISIÓN-. Una vez generada la energía eléctrica y elevada a niveles de voltaje, es necesario conducirla a través de un medio de transporte a las subestaciones eléctricas para reducir los niveles de voltaje y con ello se pueda suministrar a los centros de consumo (carga). CENTROS DE CONSUMO.- Resultan ser los clientes finales que consumen la energía para sus procesos de transformación de productos o servicios, que dependiendo del nivel de voltaje pueden clasificarse, en industriales, comerciales, residenciales y uso domestico.
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1.2. COMPONENTES BÁSICOS DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN ESTRUCTURAS DE SOPORTE.- La función básica de las estructuras para líneas de transmisión aéreas, es mantener los conductores a cierta distancia sobre el suelo y de los obstáculos presentes a lo largo de la trayectoria, proporcionando seguridad a personas e instalaciones situadas en las cercanías de la ubicación de las estructuras a lo largo del eje de la trayectoria de la línea de transmisión, estas pueden fabricarse generalmente de acero galvanizado, de madera y concreto.
TIPOS DE ESTRUCTURAS DE SOPORTE
Torre 2 circuitos, Disposición vertical
……
Torre 1 circuito, Disposición Triangular
Torre 1 circuito, Disposición Horizontal
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TIPOS DE ESTRUCTURAS DE SOPORTE
Torre 2 circuitos, Disposición triangular
Poste 4 circuitos, Disposición Vertical
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Torre 4 circuitos, Disposición Vertical
Torre 1 circuito, con retenidas, Disposición Horizontal
Poste 2 circuitos, Disposición Vertical
Estructura formada por postes sección I, Disposición Horizontal
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TIPOS DE ESTRUCTURAS DE SOPORTE
Poste troncocónico, 2C, con crucetas aisladas “akimbo”
Poste de Transición aéreo-subterránea, 2 Circuitos
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Torre de transposición, 1 Circuito
Poste troncocónico, 2 circuitos, tipo lindero
Torre 2 circuitos, Disposición horizontal
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CABLES CONDUCTORES.- Es el medio por el cual se efectúa el transporte de energía eléctrica. La sección, su composición y el número de conductores por fase, debe ser la más adecuada para permitir la transferencia óptima de la potencia eléctrica y además resistir los esfuerzos mecánicos a los que estarán sometidos durante la construcción y operación de la Línea. Los conductores de uso más común en las líneas de transmisión aérea son en primer instancia los conductores de aluminio dispuestos helicoidalmente sobre una serie de cables de acero dispuestos de forma similar, utilizados como refuerzo denominados ACSR (Aluminium Conductor Steel-Reinforced) y posteriormente se describen los cables exclusivamente de aluminio: AAC (All-Aluminium Conductor), los conductores que son exclusivamente de una aleación de aluminio: AAAC (All-Aluminium Alloy Conductor) y los conductores de aluminio reforzado con aleación: ACAR (Aluminium Conductor AlloyReinforced).
Tipos de cables ACSR
Recientemente se están utilizando tecnologías de los conductores que consisten en obtener baja flecha y alta temperatura, los cuales tienen como finalidad utilizar las estructuras existentes de las Líneas de Transmisión, reduciendo costos por derechos de vía y aumentando la conducción de corriente por el conductor.
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Calibre del cable (mm2):
Área Diámetro sin hielo (mm): Diámetro con hielo (mm): Peso sin hielo (kg/m): Peso con hielo (kg/m): Módulo de elasticidad inicial (kg/mm2): Módulo de elasticidad final (kg/mm2): Coeficiente de dilatación inicial (1/°C): Coeficiente de dilatación final (1/°C): Resistencia a la Ruptura (kg):
1113 ACSR 603 31,980 41,980 1,875 2,3608 5483,5 6587,1 0,0000205 0,0000208 14039
900 ACSR 515,2 29,510 39,510 1,723 2,2109 5202,2 6678,5 0,00001828 0,00001926 14650
795 ACSR 468,5 28,140 38,140 1,624 2,0965 5349,8 7156,5 0,0000174 0,00001882 14165
477 ACSR 281,1 21,800 31,800 0,975 1,3567 5856 7648,6 0,00001753 0,00001882 8820
Características mecánicas de los cables conductores ACSR
CABLES DE GUARDA.- La función principal de los cables de guarda es impedir que las descargas atmosféricas impacten directamente sobre los cables conductores de las fases de los circuitos, captando la intensidad de corriente y conduciéndola por medio de la estructura de acero para transmitirlas a los sistemas de tierras que finalmente son los elementos disipadores. Generalmente los cables de guarda empleados son de acero galvanizado o de acero recubierto de aluminio, los cuales deben ser capaces de resistir las solicitaciones mecánicas y condiciones climatológicas de las zonas en donde se instalen. Actualmente se están instalando en algunas líneas de transmisión, cables de guarda de acero recubierto de aluminio con núcleo, conteniendo fibras ópticas, mediante las cuales se transmiten señales de telecomunicación para coordinar los elementos de protección en las Subestaciones Eléctricas colaterales asociadas a las Líneas de Transmisión.
Cable de Guarda con Fibras Ópticas (CGFO) –Condumex-
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Cable de Guarda con Fibras Ópticas (CGFO)-Pirelli-
Cable de Guarda con Fibras Ópticas (CGFO)-AFL-
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Tipo de cable de guarda Área (mm2): Diámetro sin hielo (mm): Diámetro con hielo (mm): Peso sin hielo (kg/m): Peso con hielo (kg/m): Módulo de elasticidad inicial (kg/mm2): Módulo de elasticidad final (kg/mm2): Coeficiente de dilatación inicial (1/°C): Coeficiente de dilatación final (1/°C): Resistencia a la Ruptura (kg):
3/8" 51,5 9,540 19,540 0,406 0,6167 15742 18137 0,00001152 0,00001152 3160
7#8 58,56 9,780 19,780 0,3896 0,5945 15150 16170 0,00001296 0,00001296 7226
PIRELLI 79 13,6 23,6 0,453 ------12110 12110 0.0000168 0.0000168 7000
CONDUMEX 105 14,65 24,65 0,585 ------11217 11217 0,0000155 0,0000155 7800
AFL 100,26 13,00 23,00 0,574 ------13400 13400 0,0000142 0,0000142 9286
Características mecánicas de los cables de guarda convencional y con fibra óptica
AISLADORES.- Son los elementos de vidrio, porcelana o poliméricos, que acoplados entre si y mediante los herrajes convenientes cumplen con la función de sujetar de la estructura de soporte los cables conductores de las fases de los circuitos, así como asegurar el aislamiento eléctrico entre el potencial de los cables conductores de fase y las partes metálicas de la estructuras de soporte. Además los aisladores deben de elegirse de tal manera que cumplan satisfactoriamente con las características electromecánicas y faciliten el mantenimiento una vez que se encuentren energizadas.
Aisladores de vidrio tipo disco
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Aislador tipo disco para ambientes ligeros de contaminación
Aislador tipo disco para ambientes medios y altos de contaminación
Partes que forman a un aislador de porcelana tipo disco
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Aislamiento tipo polimérico
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CONJUNTOS DE HERRAJES.- Los aisladores acoplados requieren de elementos que permitan la sujeción tanto a las crucetas de las estructuras de soporte como a los cables conductores de fase de los circuitos. Para el caso de los cables de guarda estos elementos son los que sujetan directamente a la estructura de soporte. Los conjuntos de herrajes deben ser capaces de resistir las tensiones mecánicas transmitidas por los cables conductores de fase de los circuitos y de guarda, respectivamente. Los conjuntos de herrajes se pueden clasificar de acuerdo al tipo de estructura de soporte, como lo son: ; Conjuntos de suspensión para cable conductor de fase ; Conjuntos de tensión para cable conductor de fase ; Conjuntos de transposición para cables conductores de fase ; Conjuntos de suspensión para cable de guarda convencional ; Conjuntos de tensión para cable de guarda convencional ; Conjuntos de suspensión para cable de guarda con fibras ópticas ; Conjuntos de tensión para cable de guarda con fibras ópticas
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F ig . 3 6 C O N J U N T O D E S U S P E N S IÓ N V E R T IC A L P A R A U N C O N D U C T O R P O R F A S E
L o n g it u d
No. 1A 2A 3 1B 2B
Descripción
Cantidad (pz)
Horquilla “Y” Bola Larga Calavera Ojo Larga Grapa de Suspensión sin varillas protectoras Horquilla “Y” Bola Corta Calavera Ojo Corta
1 1 1 1 1
Fig. 45 CONJUNTO DE TENSIÓN PARA UN CONDUCTOR POR FASE CON UNA CADENA DE AISLADORES Longitud
No. 1A 2A 5 1B 2B
……
Descripción Horquilla “Y” Bola Larga Calavera Horquilla “Y” Larga Grapa de Tensión para Conductor a Compresión 900-1113 Horquilla “Y” Bola Corta Calavera Horquilla “Y” Corta
Cantidad (pz) 1 1 1 1 1
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Fig. 40
CONJUNTO DE SUSPENSIÓN EN "V" UN CONDUCTOR POR FASE
Longitud
No. 1A 2A 3 4 5 1B 2B
Descripción Horquilla “Y” Bola Larga Calavera Horquilla “Y” Larga Yugo Triangular V1 Horquilla “Y” Ojo Corta Grapa de Suspensión sin varillas protectoras Horquilla “Y” Bola Corta Calavera Horquilla “Y” Corta
Fig. 49
Cantidad (pz) 2 2 1 1 1 2 2
CONJUNTO DE SUSPENSIÓN PARA CABLE DE GUARDA
Longitud
No. Descripción 1 2 3 4
……
Eslabón Grapa de Suspensión para Cable de Guarda Conector Cable-Cable a Compresión Conector Cable-Solera a Compresión
Cantidad (pz) 1 1 1 1
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Fig. 50
CONJUNTO DE TENSIÓN A COMPRESIÓN PARA CABLE DE GUARDA 1
Longitud
Tornillo de 1/2" de diámetro
2
Roldana de presión Tuerca hexagonal
VISTA DE PLANTA
No. 1 2
……
Descripción Grapa de Tensión para Cable de Guarda Conector Cable-Solera a Compresión
Cantidad (pz) 2 2
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SISTEMA DE TIERRAS.- Es el conjunto de elementos formados por contra antenas y electrodos verticales que se determinan en base a las mediciones de resistividad del terreno, para obtener una resistencia mínima al pie de cada estructura que permita la disipación de las corrientes producidas al momento de la incidencia de las descargas atmosféricas en la estructura de soporte o a lo largo de los claros interpostales sobre los hilos de guarda.
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Conexiones típicas en los sistemas de tierras
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AMORTIGUADORES.- Debido a que los cables conductores están expuestos a la acción del viento, principalmente cuando se presenta velocidades pequeñas, que producen vibraciones de frecuencia elevada. La amplitud de este movimiento vibratorio puede alcanzar valores elevados que produzcan fatiga en los cables conductores cerca de los puntos de remate y/o suspensión de las estructuras de soporte, con peligro de rotura de los hilos dispuestos helicoidalmente, para evitar este riesgo se realizan estudios de amortiguamiento que determinen el tipo, cantidad y distancia de amortiguadores a instalar en cada línea de transmisión, de acuerdo a las condiciones climatológicas y topográficas de la trayectoria así como a las tensiones transmitidas por los cables conductores.
Amortiguador tipo Stockbridge
Cantidad de amortiguadores a instalar en el cable conductor
Cantidad de amortiguadores a instalar en el cable conductor
Las distancias típicas de instalación de los amortiguadores desde los puntos de enganche o de tensión, oscilan desde 1m a 1,30m y la distancia de separación entre amortiguadores la encontramos entre los rangos de 0,75m a 1m.
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SEPARADORES.- Para el caso en que las Líneas de Transmisión cuenten con 2 o más conductores por fase, es necesario aplicar separadores para mantener espaciados a 45 cm los conductores a lo largo de cada claro interpostal, estos deben de tener la capacidad para soportar las corrientes de corto circuito. La colocación de estos accesorios típicamente los podemos encontrar en el rango desde los 55 a 80 m, distribuidos a lo largo del claro, teniendo especial cuidado en que las distancias entre separadores no sea equidistante, la razón es contrarrestar las amplitudes de onda por el efecto galopeo.
Separador preformado para 2 conductores por fase
Separador-amortiguador para 3 y 4 conductores por fase
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BOYAS.- Esfera de aluminio o de fibra de vidrio, que se instala en las cables de guarda para señalizar la altura máxima de las Líneas de Transmisión, en cruzamientos con otras Líneas de Transmisión, en derivaciones o entronques con Líneas de Transmisión y en claros interpostales en barrancas profundas. Esto con la finalidad que durante el tráfico aéreo se eviten accidentes, previniendo posibles impactos con los cables de las Líneas de Transmisión.
SEÑALIZACIÓN DE ESTRUCTURAS EN CRUZAMIENTOS CON LÍNEAS DE TRANSMISIÓN PINTURA AMARILLO (17)
PINTURA AMARILLO (17)
PINTURA ROJO (8)
PINTURA ROJO (8) PINTURA AMARILLO (17)
50m
PINTURA AMARILLO (17)
LÍNEA DE TRANSMISIÓN EN CONSTRUCCIÓN (PROYECTO)
LÍ
A NE
DE
TR
AN
S
N SIÓ MI
AC
TU
AL
50m
PINTURA ROJO (8)
PINTURA AMARILLO (17)
PINTURA AMARILLO (17)
50m
EN
N( IÓ AC ER OP
) TE EN IST EX
VISTA EN PLANTA
CRUCETA DE GUARDA CRUCETA DE GUARDA CRUCETA CONDUCTOR
PINTURA ROJO (8) CUERPO RECTO
CRUCETA CONDUCTOR
CUERPO RECTO
CRUCETA CONDUCTOR
PINTURA AMARILLO (17)
PINTURA AMARILLO (17)
CABLE DE GUARDA
VISTA FRONTAL
BOYAS
CABLES CONDUCTORES CABLES DE GUARDA CONDUCTOR SUPERIOR CONDUCTOR MEDIO CONDUCTOR INFERIOR LÍNEA DE TRANSMISIÓN DE MENOR ALTURA
VISTA EN PERFIL
Cabe señalar que el anterior esquema es solo demostrativo, la colocación de boyas se debe de basar en la norma de referencia NRF-042-CFE “SEÑALIZACIÓN DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN AÉREAS Y SUBTERRANEAS (CABLES DE POTENCIA), PARA INSPECCIÓN AÉREA, TRAFICO AEREO, MARITIMO Y TERRESTRE”
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1 Materiales Marca Cantidad
4 2
5
Descripción
1 2
2 4
Esfera de aluminio bipartida Herraje de aluminio para sujeción
3
8
* Tornillo 3/8" x 1"
4
4
Tornillo 3/8" x 1 3/4"
5
4
* Tornillo 3/16" x 3/4"
6
1
Centrador
Peso Total
4.50 Kg
Incluye el suministro de tornillos, tuercas, arandela plana y de presión. * Incluyen 2 piezas de arandela plana.
Características de la Boya de Aluminio
6
m 0m 51
Boyas para Señalización Aérea Descripción
Item
3
1
Peso Total (incluyendo: tornillería y herrajes de sujeción)
2
Diámetro interior
3 4
Espesor de la lamina de aluminio (mínimo) Acabado final.
Unidad
Cantidad
Kg
4.50
mm mm Color
510 0.80 (Calibre 18) Naranja
Partes que integran a una boya de aluminio
Boyas de aluminio instaladas en Líneas de Transmisión
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I.3. TENSIONES TRANSMISIÓN
NORMALIZADAS
EN
LOS
SISTEMAS
DE
Las tensiones nominales que se utilizan para la transmisión de la energía eléctrica en nuestro país son mayores a 115 kV, mismos que se consideran como voltajes de alta tensión y se clasifican como se indica: PREFERENTES.- Son aquellos niveles de voltaje que deben de utilizarse en todo el sistema eléctrico nacional siendo: 115kV, 230kV y 400kV. RESTRINGIDAS.- Se refiere a los niveles de voltaje que debido al grado de desarrollo y al valor de las instalaciones existentes no es posible eliminarlas, pero en un futuro no se planean ampliaciones futuras, hablamos de: 138kV y 161kV.
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I.4. PLANOS DE PLANTA, PERFIL Y PROYECTO TRAYECTORIA GENERAL: Plano generalmente a escala 1:50,000, en el cual se plasma sobre cartas topográficas editadas por el Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI) la poligonal que representa la trayectoria de la Línea de Transmisión, partiendo de la Subestación de origen, hasta el punto final, que puede ser la Subestación destino o el punto de entronque a una Línea de Transmisión existente. Este documento nos proporciona la siguiente información: Cantidad de puntos de inflexión (PI) Tipo de terreno (Plano, ondulado o montañoso) Longitud total de la Línea de Transmisión Tipos de cruzamientos a lo largo de la trayectoria
-TA LT 230 kV - 1C
SE TAPEIXTLES POT. SE COLOMO
CAMPOS DE FUTBOL
TA 2C
T A 2C
A SE COL OMO T A2 C
P A 2C
PA2 C
A S E CO LO MO DIS T
P A 4C
LT 11 5 KV -1 C-P C/P M PA4 C
PA2 C P A 2C
T A 1C
LT TAPEIXTLES - COLOMO
TERMOELECTRICA L
2 T-
30
3
kV
LT
-1
's -
C-
TA
40
0
kV
-1
C-
TA
Laguna de Cuyutlán
PR
OY
EC
TO
Extracto de un plano de trayectoria general
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PLANTA Y PERFIL TOPOGRÁFICO: Plano Una vez definida la trayectoria de la Línea de Transmisión se procede a efectuar en campo el levantamiento topográfico que iniciará en el punto central del marco de la bahía de la subestación de origen y se denominará 0+000 del cadenamiento y terminará en el centro del marco de la bahía de la subestación destino con el cadenamiento correspondiente a la longitud real de la Línea de Transmisión. El resultado final es obtener los planos de “Topografía, Planta y perfil” que serán elaborados en formatos de película poliéster indeformable con cuadrícula milimétrica y las escalas que se utilizarán son: TIPO DE TERRENO
ESCALA HORIZONTAL
ESCALA VERTICAL
En terreno plano, lomeríos o montaña suave.
1:2000
1:200
En terreno muy accidentado
1:2000
1:500
Los cuales contienen a mayor detalle las características a todo lo largo de la trayectoria de la línea, entre otras nos proporciona: Las elevaciones del terreno, las distancias exactas de las tangentes, los cambios de dirección (Puntos de Inflexión), los cruzamientos como pueden ser: vías férreas, carreteras, ríos navegables, tipos de terreno, zonas urbanas, con otras líneas de transmisión, los rumbos astronómicos de cada tangente PLANOS DE PLANTA, PERFIL Y PROYECTO: Planos del levantamiento topográfico en planta y perfil en el cual se plasman la localización y altura de las estructuras necesarias para cumplir con las distancias de seguridad y libramientos a cada uno de los obstáculos a lo largo de la trayectoria. La información que contienen estos planos es la siguiente: Kilometraje del sitio en donde han sido localizadas las estructuras Número consecutivo de las estructuras, iniciando con la primera estructura después del marco de remate. Tipo de la estructura Nivel de la estructura Claro efectivo, claro medio horizontal y claro vertical Puntos mas bajos de las catenarias
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Extracto: Plano de planta, perfil y proyecto
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DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
Conclusión del Tema 1. Introducción al Diseño de Líneas de Transmisión Como se vio en este tema, es importante conocer los conceptos, definiciones, componentes y tensiones básicas, así como el resultado de un diseño electromecánico de una Línea de Transmisión, los planos de planta, perfil y proyecto. Partimos definiendo, que la finalidad de una Línea de Transmisión es conducir la energía eléctrica desde los puntos de generación hasta los centros de consumo, en la estructura del suministro de energía eléctrica. Los elementos que componen a una Línea de Transmisión son: Estructuras de soporte, cables conductores, cables de guarda, aisladores, herrajes, sistema de tierras, amortiguadores, separadores, boyas de señalización. Las tensiones normalizadas para los sistemas de transmisión son: Preferentes, 115kV,230kV y 400kV y las restringidas son: 138kV y 161kV. Finalmente mencionamos que para obtener los planos de planta, perfil y proyecto, necesitamos plasmar la localización y altura de estructuras en los planos topográficos, complementando con los siguientes datos: Kilometraje de ubicación, tipo de estructura, Número consecutivo, Valores de claros: efectivo, medio horizontal y vertical, puntos más bajos de la catenaria.
Preguntas de Autoevaluación: ¿Cuál es la finalidad de las Líneas de Transmisión en la estructura del suministro de energía eléctrica? ¿Menciona 5 componentes de una Línea de Transmisión? ¿Cuáles son las tensiones preferentes en los sistemas de transmisión? ¿Cuáles son las tensiones restringidas en los sistemas de transmisión? ¿Menciona 3 datos que podemos obtener de los planos de planta, perfil y proyecto?
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TEMA 2. CRITERIOS PARA SELECCIONAR LOS DISEÑOS MECÁNICOS PARA CABLES CONDUCTORES, GUARDA CONVENCIONAL Y FIBRA ÓPTICA. Objetivo Específico: Al finalizar el tema, el participante calculará los diseños mecánicos para cables conductores de acuerdo a las especificaciones de CFE. En este tema se proporcionará al participante los datos básicos de partida, entre ellos se encuentran, los parámetros de uso de estructuras, las características mecánicas de los cables, condiciones climatológicas de la zona de influencia de la Línea de Transmisión, las hipótesis de diseño y la ecuación de cambio de estado para calcular y coordinar las curvas catenarias entre cables: conductor y guarda. Para cumplir nuestro objetivo de aprendizaje, seguiremos la siguiente secuencia: ; Parámetros que determinan el uso de una estructura. ; Ecuación de la catenaria. ; Datos básicos de partida y parametrización de la trayectoria de la Línea de Transmisión. ; Hipótesis de diseño. ; Ecuación de cambio de estado. ; Coordinación de catenarias entre cables; conductor y guarda.
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2.1- PARÁMETROS QUE DETERMINAN EL USO DE UNA ESTRUCTURA. DEFLEXIÓN (°): Es el ángulo máximo de cambio de dirección en la trayectoria de la Línea de Transmisión que permite la estructura en estudio sin afectar su estabilidad, de acuerdo con el diseño estructural y eléctrico. CLARO MEDIO HORIZONTAL (CMH): Es la semisuma de claros adyacentes a la estructura y se utilizan para calcular las cargas transversales que actúan sobre la estructura debidas a la acción del viento sobre los cables. CLARO VERTICAL (CV): Es la suma de las distancias horizontales entre los puntos más bajos de las catenarias de los cables conductores adyacentes a la estructura y se utiliza para determinar las cargas verticales, que actúan sobre la estructura, debidas al peso de los cables conductores y de guarda. UTILIZACIÓN: La conjugación de los tres parámetros anteriores designa el uso de la estructura, expresado: DEFLEXIÓN/CLARO MEDIO HORIZONTAL/CLARO VERTICAL (°/CMH/CV).
S.E. ORIGEN
Eje de
Circuito 1
la tray
a de ectori
isión ansm a de tr la líne
O ESTIN S.E. D
Circuito 2 Punto de sujección
Cable conductor Punto de sujección
Punto mas bajo
Cable conductor
Punto de sujección
Punto mas bajo
CMH=C1+C2 2
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UTILIZACIÓN DE LA ESTRUCTURA GRADOS / CMH / CV
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Silueta básica de una estructura en la cual se ilustra su uso.
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2.2- ECUACIÓN DE LA CATENARIA CATENARIA: es la curva que describe una cadena suspendida por sus extremos y que se encuentra sometida a un campo gravitatorio uniforme. La palabra deriva del latín catenaríus, propio de la cadena. Asimismo, la curva catenaria es la que describe un cable de longitud finita y densidad constante sostenido por dos puntos; por ejemplo, es la curva que describe un cable eléctrico entre dos apoyos o postes. Y
B
A
S
D(x,y)
C
0
X
Parámetro o constante de catenaria (P): Esta definido por la siguiente ecuación:
P=
T [metros] w
T= Tensión del cable en el claro interpostal (kg) W=Peso unitario del cable (kg/m) Catenaria (y): Esta definido por la siguiente ecuación: ⎡ ⎛x⎞ ⎤ y = p.⎢Cosh⎜⎜ ⎟⎟ − 1⎥ ⎝ p⎠ ⎦ ⎣
P=Parámetro o constante de catenaria (m) x=valor en el eje de las x y= valor en el eje de las y
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2.3- DATOS BÁSICOS DE PARTIDA Y PARAMETRIZACIÓN DE LA TRAYECTORIA DE LA LÍNEA DE TRANSMISIÒN. DATOS BÁSICOS DE PARTIDA: Las características mecánicas de los cables conductores y de guarda deben ser las siguientes: Área Diámetro sin hielo Diámetro con hielo Peso sin hielo Peso con hielo Módulo de elasticidad inicial Módulo de elasticidad final Coeficiente de dilatación inicial Coeficiente de dilatación final Resistencia a la Ruptura
mm2 mm mm kg/m kg/m kg/mm2 kg/mm2 1/°C 1/°C kg
Debemos de tener presente los libramientos establecidos en la Especificación para diseño de Líneas Aéreas:
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De la familia de estructuras seleccionadas obtenemos los usos y las tensiones máximas de las crucetas para cables conductores y de guarda. Considerando los siguientes criterios: El uso de la estructura, deberá corresponder a la mas predominante, generalmente resultan ser las de suspensión. Las tensiones máximas las crucetas de cable conductor y guarda, deberán de corresponder a las estructuras de remate. Para obtener las presiones de viento en cables, se consideran los factores topográficos del terreno, las alturas promedio de los cables, las altitudes de operación y su cálculo se describe en la especificación: “Torres para Líneas de Subtransmisión y Transmisión –J1000-50”. CARACTERIZACIÓN DE LA TRAYECTORIA: Una vez definidas las características de la línea de transmisión en el Programa de Obras e Inversiones del Sector Eléctrico (POISE), se acota el área de influencia geográfica, por lo se da a la tarea de obtener datos metereologicos que nos describan el comportamiento en lo que se refiere al entorno, citando principalmente los parámetros y fuente de datos empleados para estar en condiciones de iniciar nuestro diseño especifico. DOCUMENTO DE REFERENCIA Base de datos metereologicos Densidad de rayos a tierra Velocidades regionales de viento Niveles de contaminación
FUENTE Sistema Metereologico Nacional (SMN) Secretaría de Agricultura y Recursos Hidráulicos (SARH) Comisión Nacional del Agua (CNA) Mapa de isodensidades de rayos a tierra (IIE) Mapas de isotacas ( MOC – CFE) Contaminación de aislamientos externos (CFE-IIE)
De estas fuentes obtenemos los siguientes datos: Temperatura máxima Temperatura media Temperatura mínima Velocidad regional a 10años Niveles de contaminación Presencia de hielo Humedad relativa y absoluta Densidad de rayos a tierra
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°C °C °C km/h
Rayos/km2/año
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PARTICULARIDADES DEL PROYECTO.- Se refiere a las condicionantes o restricciones especiales que se deben de tomar en cuenta para nuestro diseño, estas pueden ser origen: Ambiental (zonas protegidas, bosques, manglares) Indemnizatorio (cultivos de riego, huertas, limites de propiedades particulares) Privados (Empresas en expansión a futuro, ferrocarriles) Dependencias (Federales, Estatales, Municipales) Convivencia con otros proyectos (Líneas de distribución, oleoductos, gaseoductos, acueductos, fibras ópticas, camellones, Líneas subterráneas, caminos). Estas restricciones implican consideraciones adicionales, de las ya descritas anteriormente (Datos metereologicos, topográficos, eléctricos), que impactan en los siguientes conceptos: Libramientos especiales (vías férreas, bosques, manglares, huertas) Claros especiales Ubicaciones de estructuras obligadas Tipos de estructuras especiales Derechos de vía reducidos Compartir derechos de vía Cada una de estas zonas especiales debe de plasmarse en los planos del levantamiento topográficos, para ser identificados en la etapa de localización de estructuras.
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Ejemplo de datos de entrada de una Línea de Transmisión:
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2.4- HIPOTESIS DE DISEÑO Las hipótesis de diseño para cada Línea de Transmisión, están directamente asociadas con las condiciones ambientales (temperaturas, viento regional, presencia de hielo) y están normadas en la “Especificación de diseño de Líneas Aéreas”. Temp. ºC
Viento (Pa)
Media Anual
0
Máxima (=>50°C)
Coincidente
Mínima (<=-10°C)
0
Presión Viento Máxima
0
Hielo (mm)
0
0
0
0
Condiciones
Finales
Curva diaria (EDS): Tiene como finalidad garantizar que las tensiones alcanzadas en este caso se encuentren de acuerdo con las tensiones admitidas para limitar las vibraciones eólicas, así como establecer el trabajo diario de la estructura. No debe de rebasar el 22% de la tensión de ruptura del cable conductor.
Finales
Flecha Máxima: Tiene como finalidad garantizar los libramientos mínimos verticales a cualquier obstáculo a cruzar, con el resultado de esta condición obtenemos la curva con la cual efectuaremos la localización de estructuras sobre el perfil topográfico. No debe de rebasar el 22% de la tensión de ruptura del cable conductor.
Iniciales
Viento Máximo: Esta condición es la más crítica y ello implica las mayores tensiones a las que estará expuesto el proyecto, por lo que deberán de analizarse cuidadosamente y tener especial cuidado en no rebasar los árboles de carga de diseño de las estructuras. No debe de rebasar el 33% de la tensión de ruptura del cable conductor.
Finales
Flecha Mínima: con ella se verifican distancias verticales a cruzamiento inferiores o superiores con otras líneas de transmisión o subtransmisión, y tensiones máximas en las etapas de tendido. No debe de rebasar el 33% de la tensión de ruptura del cable conductor.
Mínima (<=-10°C)
Presión Viento Reducida
5
Iniciales
16
285 o 187
0
Finales
15
41.2
……
0
Descripción
Finales
Viento Reducido: Esta condición se considera la carga vertical del hielo y ello implica las mayores tensiones a las que estará expuesto el proyecto, por lo que deberán de analizarse cuidadosamente y tener especial cuidado en no rebasar los árboles de carga de diseño de las estructuras. No debe de rebasar el 33% de la tensión de ruptura del cable conductor. Balanceo: Tiene como finalidad determinar los ángulos de balanceo para verificar distancias críticas a las prominencias naturales o construcciones laterales. No debe de rebasar el 22% de la tensión de ruptura del cable conductor. Condición de rayo: Con ella se verifican distancias verticales de las fases superiores con respecto a los hilos de guarda para determinar el blindaje óptimo a lo largo de los claros interpostales. No se tiene limitante en cuanto a la tensión de ruptura dado que sus tensiones resultantes están cubiertas por el resto de las hipótesis de carga.
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2.5- ECUACIÓN DE CAMBIO DE ESTADO El efectuar el cambio de estado en las diferentes hipótesis de diseño tiene la finalidad de verificar que los resultados obtenidos en cada una de las condiciones este dentro de los valores establecidos por las restricciones mecánicas de los conductores o de las crucetas de las estructuras propuestas para nuestro proyecto. Las expresiones de la ecuación del cambio de estado son: 2
⎡ S .Z ⎤ M ≈ A⎢ 1 ⎥ − T1 + B(t 2 − t1 ) ⎣ T1 ⎦
N ≈ A(S .Z 2 )
2
A≈
γ 2E 24
Τ1 ≈
H1 A
B ≈ α .E
γ≈
WC A
H 2 ≈ T2 * A WC .S 2 f ≈ 8.H 2 ⎡ (WC + Wh )2 + WV2 ⎤ Z2 ≈ ⎢ ⎥ (WC )2 ⎣ ⎦
1/ 2
WV ≈ PV * D P≈
……
H1 WC
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Donde: H1 : Tensión en condiciones iniciales (kg) t1 : Temperatura de control a la cual se considera H1 (ºC) Z1 : Sobrecarga en el cable en condiciones iniciales sin hielo y sin viento. T1 : Componente horizontal del esfuerzo en condiciones iniciales (kg/mm2) H2 : Tensión buscada (kg) Z2 : Sobrecarga en el cable en condiciones finales t2 : Temperatura correspondiente a H2 (ºC) T2 : Componente Horizontal del esfuerzo en condiciones finales (kg/mm2) S : Claro base considerado (m) A : Sección del cable ( mm2) α : Coeficiente de dilatación lineal del cable (1/°C) D : Diámetro del cable (mm) γ : Peso unitario del cable dividido entre el área (kg/m-mm2) E : Módulo de elasticidad final del cable (kg/m) Wc : Peso unitario del cable (kg/m) Wh : Peso del hielo depositado sobre el cable (kg/m) Wv : Fuerza debida a la presión del viento sobre el conductor. f : Flecha del cable en función de H2 (m) A,B,M ,N:
Constantes para el cálculo de T2
Pv : Presión de viento (kg/m2).
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ALTERNATIVAS PARA DETERMINAR EL PARÁMETRO PROPUESTO EN LA CONDICIÓN DE PARTIDA (Temperatura a 50°C, Sin viento y Sin Hielo): 1.- Consideramos un valor menor que el 20% de la tensión de ruptura (Tr) del cable conductor y posteriormente verificamos que el claro base (CB) no exceda el CMH de la estructura.
T50°C = Tr (≤ 20 0 0 ) P=
T50°C w
[metros ]
2.- Consideramos el claro base (CB) menor o igual al CMH de la estructura y aplicamos la expresión:
⎛ (CB ) 2 P = ⎜⎜ ⎝ 8f CB= f= P= T50°C= w=
⎞ ⎟⎟ ⎠
Claro base Flecha Parámetro Tensión a 50°C Peso del cable
f = hc − L hc= L=
Altura al punto de enganche del conductor más bajo Libramiento a piso de acuerdo al nivel de voltaje de la Línea de Transmisión
f
hc
L
CLARO BASE (CB)
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Con lo anterior estaremos definiendo nuestra condición de partida: 50°C, s/v, s/h, condiciones finales.
2.6- COORDINACIÓN DE CONDUCTOR Y GUARDA
CATENARIAS
ENTRE
CABLES:
Debemos tener en cuenta que los cambios de estado se realizan para el cable conductor, dado que es el que determinará en gran medida la distribución de estructuras en el perfil topográfico, una vez que determinados los valores del parámetro para la curva catenaria en la condición de 50ºC, sin viento y sin hielo (Curva caliente). Sin embargo para efectos de un blindaje perfecto, sería deseable que las curvas catenarias del conductor e hilo de guarda fueran paralelas en todas las hipótesis de diseño, esto es imposible debido a que la composición física de los materiales que constituyen tanto el conductor como el hilo de guarda son diferentes. Por lo tanto debemos elegir la condición que cumpla la función de blindar adecuadamente nuestra Línea de Transmisión a lo largo de todos los claros interpostales, esto se puede lograr manteniendo constantes las distancias existentes entre las crucetas de hilo de guarda con respecto al primer conductor inferior de nuestra estructura, esta condición hipotética es: descarga atmosférica (sin viento y a una temperatura coincidente).
A A
hc
L
CLARO INTERPOSTAL A=Distancia de la cruceta del hilo de guarda a la cruceta al conductor inferior hc=Punto de enganche del conductor más bajo
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L=Libramiento a piso Conclusión del Tema 2. Criterios para seleccionar los diseños mecánicos para cables conductores, guarda convencional y fibra óptica. Como se analizó en este tema, es importante la selección adecuada de los parámetros mecánicos de tensión de los cables en el diseño, por que ello nos garantizará el correcto funcionamiento de la Línea de Transmisión en cada una de las condiciones climatológicas a las que estará expuesta. Partimos definiendo los parámetros que determinan el uso de una estructura, siendo: Deflexión, Claro Medio Horizontal, Claro vertical. Continuamos con definir y conocer la expresión de la curva catenaria, que es la parte fundamental para analizar el comportamiento de los cables conductores en una Línea de Transmisión sujeta en sus extremos por estructuras. Debemos tener presente que dentro de los datos de partida para poder determinar nuestros valores de la curva catenaria, están consideradas las características mecánicas de los conductores, los libramientos de acuerdo al nivel de voltaje, las temperaturas, velocidades de viento, niveles de contaminación, presencia de hielo, humedad relativa, densidad de rayos a tierra. Finalmente conocimos las hipótesis de diseño y las ecuaciones para analizar nuestras tensiones resultantes para cada una de las condiciones climatológicas a las que estará expuesta nuestra Línea de Transmisión así como de proporcionar el blindaje adecuado coordinando las curvas catenarias del hilo de guarda con respecto al cable conductor en la condición de descargas atmosférica.
Preguntas de Autoevaluación: ¿Cómo se define el uso de una estructura? ¿Qué es la catenaria? ¿Describe 3 datos de partida que se consideran para determinar la curva catenaria? ¿Cuáles son las hipótesis de diseño para una Línea de Transmisión? ¿En que consiste coordinar las catenarias entre cables; conductor y guarda?
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TEMA 3. DISEÑO ELÉCTRICO DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN Objetivo Específico: Al finalizar el tema, el participante distinguirá los aspectos del diseño eléctrico a considerarse en una Línea de Transmisión de acuerdo a las especificaciones de CFE. En este tema se proporcionará al participante, las consideraciones que se deben de tener para diseñar adecuadamente el blindaje de una Línea de Transmisión, para ello conoceremos los efectos que se derivan ante las descargas atmosféricas y como se contribuye a minimizar el índice de salidas por este fenómeno. Para cumplir nuestro objetivo de aprendizaje, seguiremos la siguiente secuencia: ; Parámetros de la descarga atmosférica utilizado en el diseño de las Líneas de Transmisión. ; Determinación del ángulo de blindaje para obtener un índice de salida deseado. ; Determinación de la resistencia a tierra para la obtención de un índice por flameo inverso ; Coordinación de aislamiento.
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3.1- PARÁMETROS DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA EN EL DISEÑO DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN. 3.1.1. DENSIDAD DE RAYOS A TIERRA: Las descargas atmosféricas son la fuente que produce el mayor número de disturbios y daños en los sistemas de alta tensión, produciendo el mayor índice de interrupciones de servicio y en ocasiones hasta daño total en los sistemas, especialmente en las Líneas de Transmisión, esto produce gastos importantes en las empresas eléctricas y molestias en los usuarios, tratando de incorporar índices de calidad elevados en el suministro de energía eléctrica, el estudio de estos fenómenos para adoptar criterios de diseño adecuados, permite considerar desde la etapa de proyecto una mejoría sensible en el comportamiento de las Líneas de Transmisión y otros elementos, bajo la condición de las descargas atmosféricas. La forma de medir la intensidad de las descargas atmosféricas es por medio de los conceptos: NIVEL CERÁUNICO (DT): Representa el número promedio de días con tormenta anual en el sitio, este concepto se estableció en la década de los 20`s para analizar el efecto de las descargas atmosféricas sobre los sistemas de transmisión y se mide por observación en las estaciones metereológicas, determinando los días con tormenta. En una zona geográfica de una región de un país, los puntos o lugares que tienen el mismo nivel ceráunico, se unen formando un mapa isoceráunico, los niveles ceráunicos se establecen con periodos de 11 años, la razón es por que se cubre todas las posibles variaciones estacionales en una región. La actividad atmosférica se clasifica en los siguientes rangos:
Días con Tormenta (DT)
Nivel
5 -15
Bajo
15 - 30
Medio
30 - 90
Alto
> 90
Muy alto
DENSIDAD DE RAYOS A TIERRA (Ng): Mide el número de descargas atmosféricas a tierra que son las de interés para el estudio de los sistemas eléctricos. Este concepto se desarrollo en la CIGRE (Conferencia Internacional de las Grandes Redes Eléctricas), consiste en registrar mediante un “contador de rayos” que tiene un área de medición de 20 km a la redonda con respecto a su punto de instalación la variación de la intensidad del campo eléctrico en la atmósfera en el momento de la descarga. El periodo de medición es de 11 años.
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La relación entre el nivel ceraunico y la densidad de rayos a tierra se expresa por formulas empíricas: CIGRE IEEE
Ng=(0,12 – 0,20)DT Ng=0,04DT1,25
(rayos/km2) (rayos/km2)
Unidad: Rayos/km2/año
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3.1.2. NÚMERO DE DESCARGAS QUE INCIDEN EN UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN (NDL) NDL= (0,04)DT1.25 { 0,0133(ht+2hg) + 0,1Sg} (rayos/100km-año) Donde: ht=Altura equivalente del conductor de fase en la Línea (m) hg=Altura del cable de guarda de la torre (m) Sg=Separación entre cables de guarda (m)
Sg=0 Cable de guarda
Conductor de fase
hg
hc
……
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f
hc
hm
CLARO INTERPOSTAL
hm=Distancia del punto mas bajo de la fase a piso (m) f= Flecha del conductor a la mitad del claro a la máxima temperatura. Para terreno plano Para terreno ondulado y montañoso
……
ht=hc-{2/3(hc-hm)} ht=hg
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Las descargas atmosféricas pueden ser directas o indirectas, tomando en consideración que una Línea de Transmisión los elementos de diseño que intervienen para limitar el efecto de las sobretensiones por rayo son: El blindaje proporcionado por la posición relativa de los cables de guarda con respecto a los conductores de fase. El aislamiento que dan las cadenas de aisladores entre conductores de fase y las partes aterrizadas. La resistencia al pie de la estructura que depende de la resistividad del terreno y del diseño de la red de tierras.
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3.1.3 IMPEDANCIA TRANSITORIA DE CABLES DE BLINDAJE, CONDUCTORES, TORRES Y SISTEMA DE TIERRA. IMPEDANCIA TRANSITORIA EN CONDUCTORES La teoría de las ondas viajeras supone que la corriente del rayo se divide en dos partes a partir de su punto de impacto, de manera que el valor es ahora ½ deslazándose en forma unidireccional y produciendo un voltaje en los conductores. Cuando el blindaje falla por estar deficiente o bien se carece de él, las descargas inciden en los conductores de fase y el voltaje que aparece es: Vc=I / 2 (Zc) Zc= 60 ln (ht/d) Donde: Vc= I= Zc= d= ht =
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Voltaje inducido (V) Corriente de rayo (A) Impedancia característica ( Ω ) Diámetro del conductor de fase (cm). Altura equivalente del conductor de fase en la Línea
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IMPEDANCIA TRANSITORIA EN CABLES DE GUARDA Cuando ocurren las descargas en los cables de guarda, la onda de voltaje que se desplaza por efecto de capacitancia entre el cable de guarda y el conductor de fase, produce un efecto de acoplamiento por campo eléctrico de manera que se induce un voltaje en los conductores de fase. Vc=CVg
Vg =
I Zg 2
Donde: C= Vg= Zg= hg= r=
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Factor de acoplamiento Voltaje en el cable de guarda Impedancia característica del cable de guarda Altura del cable de guarda Radio del hilo de guarda
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IMPEDANCIA TRANSITORIA EN ESTRUCTURAS Las descargas atmosféricas pueden incidir también directamente en las estructuras, ya que estas se comportan como electrodos por ser puntos salientes sobre el nivel del suelo. De manera que la corriente del rayo produce una elevación de voltaje de la punta de la torre al suelo y se determina como: VT=ZTI Donde: ZT= I=
Impedancia característica de la torre Corriente de rayo
La impedancia característica de la torre depende de la geometría de la misma (altura, diámetro, siluetas) y se ha calculado en forma experimental usando modelos a escala, de manera que a partir de estos se obtienen los modelos básicos para determinar la impedancia característica de las estructuras: Sg=0 Cable de guarda
Silueta cónica Conductor de fase
⎡ ⎛ hg 2 Z T = 30 ln ⎢ 2⎜⎜1 + 2 r ⎣ ⎝
hg
⎞⎤ ⎟⎟ ⎥ ⎠⎦
hc
……
r
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Silueta cilíndrica
hg
hc
r
⎛ hg ⎞ ⎛ hg ⎞ Z T = 60 ln ⎜ ⎟ + 90⎜ ⎟ − 60 ⎝ r ⎠ ⎝ r ⎠
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Silueta tipo “H”
Zt =
1 (Z s + Z m ) 2
⎡ ⎤ ⎛ h ⎞⎤ ⎡ ⎛ r ⎞ Z s = ⎢60 ln⎜ ⎟⎥ + ⎢90⎜ ⎟ − 60⎥ ⎝ r ⎠⎦ ⎣ ⎝ h ⎠ ⎣ ⎦ ⎡ ⎤ ⎛ h ⎞⎤ ⎡ ⎛ b ⎞ Z s = ⎢60 ln⎜ ⎟⎥ + ⎢90⎜ ⎟ − 60⎥ ⎝ b ⎠⎦ ⎣ ⎝ h ⎠ ⎣ ⎦
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CARACTERÍSTICAS DE FLAMEO DE AISLADORES Desde el punto de vista de diseño de aislamiento de las Líneas, para tomar en consideración el voltaje por flameo inverso, se debe incorporar el voltaje de acoplamiento del cable de guarda a los conductores de fase a través del factor de acoplamiento C, también se supone que en el momento que se presenta una descarga la Línea esta energizada, es decir existe un voltaje senoidal de fase a neutro que se superpone a la onda de rayo. El voltaje que aparece en la cadena de aisladores por efecto inverso es: Vais =
RZ RZ Z − R di Z − R di L ± Vfn i (t ) − C i (t ) + L −C R+Z R+Z Z + R dt Z + R dt
Los términos de la ecuación anterior son: Componente resistiva de la caída de voltaje Componente inductiva para la caída resistiva debido al acoplamiento del cable de guarda Componente inductiva de la caída de voltaje cuyo valor depende del índice de di =α elevación de la corriente dt Componente inductiva de la caída de voltaje inductiva Voltaje de fase a neutro del valor de pico de onda senoidal para la descarga, el signo + se toma cuando se superpone el máximo positivo y – cuando se considera el máximo negativo de la onda. La ecuación anterior se puede escribir para la corriente de rayo que produce el flameo inverso de la siguiente manera:
i (t ) = Vais
Z+R Z − R di Z+R −C L ± Vfn RZ (1 − C ) RZ dt RZ (1 − C )
Cuando se trata de calcular el valor de la corriente de rayo que produce flameo inverso entonces se supone que el voltaje en la cadena de aisladores, es la tensión de aguante a nivel básico.
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3.2 DETERMINACIÓN DE ÂNGULO DE OBTENER UN ÍNDICE DE SALIDA DESEADO.
BLINDAJE
PARA
3.2.1. ÀNGULO DE BLINDAJE La función de los cables de guarda en las líneas de transmisión es proporcionar un blindaje o protección contra descargas directas. En general, se puede establecer que las líneas con dos cables de guarda proporcionan un blindaje más efectivo que aquellos que solo tienen un cable de guarda. En forma práctica el blindaje se expresa como un ángulo entre los conductores de guarda y los conductores de las fases externas de la línea.
α
⎛a⎞ ⎝b⎠
α = tan −1 ⎜ ⎟
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3.2.2. MODELO ELECTROGEOMÉTRICO Este modelo se puede aplicar a las estructuras actuales, es decir, las que se encuentran en operación, para hacer una revisión de su desempeño ante el fenómeno de las descargas atmosféricas, o bien para las nuevas estructuras y de esta manera, buscar la mejor ubicación de los cables de guarda con relación a los conductores de fase, basándose en el concepto de la distancia de atracción, para de esta manera poder predecir el impacto final de una descarga descendente que se aproxima a tierra. CÁLCULO DE LA ALTURA MEDIA DEL CONDUCTOR. Para terreno plano: Yt = Yc – 2/3 f Para terreno ondulado: Yt= Yc Para terreno montañoso: Yt= 2Yc donde: Yt = Altura equivalente de fase de la Línea Yc = altura del piso a conductor f= flecha del conductor en el punto medio del claro
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ALTURA MEDIA DE LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN (Y) Y = %Montañoso(Yt) + %Ondulado(Yt) + %Plano(Yt) CÁLCULO DE LA CORRENTE MÍNIMA DE FLAMEO
I=
2TCF Zc Donde:
TCF = Tensión Crítica de Flameo Zc = Impedancia por fase
IMPEDANCIA POR FASE:
2Y R Donde : R = Radio medio geométrico
Zc = 60 Ln
RADIO MEDIO GEOMÉTRICO ( N −1) ⎡ ⎤ ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎢ ⎥ S ⎜ ⎟ ⎢ ⎥ R = N (r ) ⎜ ⎟ ⎢ ⎥ ⎛π ⎞ ⎜ 2 Sen⎜ ⎟ ⎟ ⎢ ⎥ ⎝ N ⎠⎠ ⎝ ⎢⎣ ⎥⎦
(1 / N )
Donde : r = radio del conductor en metros S = separación entre conductores por fase ( 0.450m) N=Número de conductores por fase TENSIÓN CRÍTICA DE FLAMEO (TCF)
TCF =
NBAI 0.961
CORRECCIÓN POR ALTITUD.
∂=e
( H/8150)
TCF CORREGIDA = TCF x ∂
……
…………- 61
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
DISTANCIA CRÍTICA DE ARQUEO: rc = 9.4 (1.1 I ) 2/3
rg = 0.67(h 0.6 )( I 0.74 ) Donde: h= Altura total de la estructura ALTURA DEL CONDUCTOR POR UNIDAD DE ARQUEO:
Y rc El espacio C a la mitad del claro por unidad de arqueo es:
C rc
……
…………- 62
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
Dg
Dc
rc
14.60
14.60
8.45 8°23'37"
12.15 9.05
rc 17.20
54.40
rg
36.90
rg
Modelo electrogeométrico
……
…………- 63
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
3.2.3 ÍNDICE DE SALIDAS EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN POR FALLA DE BLINDAJE INDICE DE FALLAS POR BLINDAJE
IFB =
R(P( I ≥ Io )NDL 1000
Flameos / 100km / año
PROBABILIDAD PARA LAS CORRIENTES DE RAYO ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ 1 ⎜ ⎟ P ( I ≥ Io ) = ⎜ ⎛ I ⎞ 2,6 ⎟ ⎜1+ ⎜ ⎟ ⎟ ⎝ ⎝ 31 ⎠ ⎠
⎛ α Hg ⎞ − 1,95 ⎟ R = Anti log⎜ ⎜ 75 ⎟ ⎝ ⎠ SALIDAS POR FALLA DE BLINDAJE
NSFB = 0,91(IFB ) Salidas / 100km / año Donde: IFB= NSFB= NLD= Io= α= Hg=
……
Índice de fallas por blindaje No. De salidas por falla de blindaje No. De rayos que inciden en la LT Corriente critica de flameo Ángulo de blindaje Altura del cable de guarda
…………- 64
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
3.3. DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A TIERRA PARA LA OBTENCIÓN DE UN ÍNDICE POR FLAMEO INVERSO 3.3.1. FLAMEOS INVERSOS Cuando un rayo toca o incide sobre una estructura, el potencial de la parte superior esta determinada por la corriente y por la resistencia al pie de la torre. Si el voltaje en la estructura excede al voltaje de la cadena de aisladores, se producirá un flameo.
3.3.2. NÚMERO DE SALIDAS POR FLAMEOS INVERSOS
ISFI = NDL(P( I ≥ Io )0,6 Salidas / 100km / año NDL= (0,04)1.25 { 0,0133(ht+2hg) + 0,1Sg}
(rayos/100km-año)
PROBABILIDAD PARA LAS CORRIENTES DE RAYO ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ 1 ⎜ ⎟ P ( I ≥ Io ) = ⎜ ⎛ I ⎞ 2,6 ⎟ ⎜1+ ⎜ ⎟ ⎟ ⎝ ⎝ 31 ⎠ ⎠
Donde: ISFI= Índice de salidas por flameo inverso NLD= No. De rayos que inciden en la LT Io= Corriente critica de flameo
……
…………- 65
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
3.3.3 SISTEMAS DE CONEXIÓN A TIERRA, ESQUEMAS Y MEJORAMIENTO DE LOS VALORES DE RESISTENCIA Los sistemas de tierras constituyen los elementos de una Línea de Transmisión, encargados de disipar en el terreno, las corrientes transitorias producidas por las descargas atmosféricas. Los sistemas de tierras se encargan de reducir o evitar las sobretensiones eléctricas en los conjuntos aislantes, reduciendo a su vez las posibilidades de interrupción del servicio, daños a las instalaciones. Los elementos básicos en la instalación de una red de tierras en estructuras de Líneas áreas son: CONTRAANTENAS Conductor metálico desnudo, enterrado y tendido en forma horizontal en una sola dirección, a una profundidad y longitud variable, que debe estar conectado a la pata de la estructura. Expresión algebraica
RC =
δ ⎛
2L ⎞ − 1⎟ ⎜ ln 2L ⎝ r ⎠
ELECTRODOS VERTICALES Cuerpo conductor o relleno de forma cilíndrica, enterrado y en forma vertical. Expresión algebraica
RE =
δ ⎛
4L ⎞ − 1⎟ ⎜ ln 2L ⎝ r ⎠
Donde: RE , RC= Resistencia en Ω δ=Resistividad del terreno Ω.m L= Longitud del electrodo o contra antena r= Radio del electrodo vertical o contra antena La resistencia total al pie de la estructura es el paralelo de las contraantenas y electrodos.
R pie
……
de la torre
= R E // RC
…………- 66
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
ESQUEMAS DE SISTEMAS DE TIERRA PARA LÍNEAS DE TRANSMISIÓN En función de la resistividad del terreno, se definen los arreglos necesarios para obtener una resistencia <10 Ω.
……
…………- 67
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
……
…………- 68
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
En los casos en que el resultado de resistividad del terreno rebase los 1000 Ω.m, el diseño se denomina “especial” el cual se le agrega un relleno químico y electrodos particulares que tiene como finalidad mejorar las propiedades del terreno para disipar adecuadamente las corrientes transitorias producidas por las descargas atmosféricas. Algunos rellenos químicos utilizados en Líneas de Transmisión
Identificación
Contenido de la muestra
CuSO4
Sulfato de Cobre Penta Hidratado
Bentonita
Bentonita
QIN
Químico intensificador nacional
Carbón Mineral
Carbón Mineral Coquizable
Carbón Vegetal
Cisco de Carbón Vegetal
QII
Químico Intensificador Importado
Sal
NaCl cloruro de sodio, sal común
Tierra
Tierra Vegetal
Mezcla 1
75% Carbón Mineral, 20% Yeso y 5% Sulfato de Cobre
Mezcla 2
75% Carbón Vegetal, 20% Yeso y 5% Sulfato de Cobre
Yeso
Sulfato de Calcio, Yeso
Mezcla 3
75% Bentonita, 20% Yeso y 5% Sulfato de Cobre
Mezcla 4
75% Yeso, 20% Bentonita y 5% Sulfato de Cobre
Mezcla 5
75% Bentonita, 20% Yeso y 5% Sulfato de Cobre
Polímero
Polímero Super-absorbente
Carbón Mineral de Río Escondido
Carbón Mineral de Río Escondido (no coquizable)
Ceniza
Ceniza de Carbón de Río Escondido.
MgSO4
Sulfato de Magnesio
……
…………- 69
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
3.4 COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO La coordinación de aislamiento consiste en ajustar las distancias de aislamiento con respecto a los valores de voltaje inducidos, por las sobretensiones generadas por una descarga atmosférica o por alguna maniobra. También se debe de cubrir con la distancia de fuga total de acuerdo al nivel de contaminación de las zonas por donde cruce la Línea de Transmisión. 3.4.1. DISTANCIAS CRÍTICAS DE FLAMEO Las distancias críticas de flameo de fase a tierra se calculan mediante las siguientes expresiones
DISTANCIA CRITICA DE FLAMEO POR RAYO
d rayo =
TCFC K3
⎛ NBAI * Ka ⎞ TCFC = ⎜ ⎟ ⎝ 0.961 ⎠
Ka = e
⎛ h ⎞ ⎟ ⎜ ⎝ 8150 ⎠
Donde: drayo= k3= TCFC= NBAI= Ka= h=
……
Distancia crítica de flameo por rayo (m) Factor de electrodos (adimensional) Tensión critica de flameo corregida a la altitud de operación (kV) Nivel básico del aislamiento al impulso (kV) Factor de corrección por altitud (Adimensional) Altitud sobre el nivel del mar (msnm)
…………- 70
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
DISTANCIA CRÍTICA POR MANIOBRA El cálculo de la distancia crítica por maniobra se emplea para tensiones iguales o mayores a 230kV, dado que la energización o reenergización de líneas trifásicas, generan sobretensiones.
d maniobra =
TCMC K2
⎛ NBAM * Ka ⎞ TCMC = ⎜ ⎟ 0.922 ⎠ ⎝
Ka = e
⎛ h ⎞ ⎟ ⎜ ⎝ 8150 ⎠
Donde: Dmaniobra= K2= TCMC= NBAM= Ka= h=
……
Distancia crítica de flameo por maniobra (m) Factor de electrodos (adimensional) Tensión crítica de flameo por maniobra corregida a la altitud de operación (kV) Nivel básico del aislamiento por maniobra (kV) Factor de corrección por altitud (Adimensional) Altitud sobre el nivel del mar (msnm)
…………- 71
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
TENSIÓN NOMINAL DEL SISTEMA (Tn) EN kV
TENSIÓN MAXIMA DE DISEÑO Vm EN kV
NIVEL BÁSICO DE AISLAMIENTO AL IMPULSO POR RAYO (NBAI), FASE- TIERRA EN kV
NIVEL BÁSICO DE AISLAMIENTO AL IMPULSO POR MANIOBRA (NBAM), FASE- TIERRA EN kV
115
123
550
---
230
245
1050
---
400
420
1425
1050
Niveles de tensión normalizados
FACTOR DE ELECTRODOS (GAP: K3, K2) De acuerdo a las pruebas de laboratorio se han podido obtener diferentes valores de GAP, los cuales son de gran importancia, ya que se utilizan dependiendo de las configuraciones geométricas de las Líneas de Transmisión, como herramienta para obtener las distancias mínimas entre conductores de fase a tierra para evitar la descarga disruptiva en el medio aislante en este caso particular lo es el aire. La definición de GAP, se desprende de tener dos electrodos separados a una cierta distancia “x” metros y a una presión de referencia, en donde un electrodo posee un voltaje de prueba y el otro tendrá un valor de voltaje de referencia igual a cero. Este valor de referencia puede ser tierra o una estructura metálica, dependiendo del tipo configuración que se someta a prueba.
TIPO DE CONFIGURACIÓN
K3
K2
Conductor – estructura Conductor – ventana
550 550
1,25 1,20
Factor de electrodos utilizados en Líneas de Transmisión
……
…………- 72
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
3.4.2. DETERMINACIÓN DE LA LONGITUD DE AISLADORES POR RAYO
No.deAisladores =
d rayo Pa
Donde: drayo= Pa=
Distancia crítica de flameo por rayo (m) Paso del aislador (m)
3.4.3. DETERMINACIÓN DE LA LONGITUD DE AISLADORES POR MANIOBRA
No.deAisladores =
d maniobra Pa
Donde: Dmaniobra= Pa=
Distancia crítica de flameo por maniobra (m) Paso del aislador (m)
Descripción corta
Distancia de fuga(mm)
Resistencia electromecánica (kN)
Diámetro (mm)
Paso (mm)
25SVC111
292
111
254
146
Normal/Vidrio
25SPC111
292
111
254
146
Normal/Porcelana
25SVC111C
292
111
254
146
Corrosivo/Vidrio
25SPC111C
292
111
254
146
Corrosivo/Porcelana
25SVC111CC
432
111
254
146
Corrosivocontaminante/vidrio
25SPC111CC
432
111
254
146
Corrosivocontaminante/porcelana
Clasificación/Material
Ficha técnica del aislador
……
…………- 73
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
3.4.4. POR CONTAMINACIÓN Los aislamientos externos se ven afectados por la contaminación durante la operación normal del equipo a la frecuencia del sistema y este parámetro influye desde el punto de vista de diseño específicamente en la distancia de fuga del aislamiento, definida como la distancia del aislador mas corta, o la suma de distancias mas cortas a lo largo del contorno de la superficie externa del material aislante, la relación entre esta distancia y el voltaje máximo de fase a fase o de fase a tierra determina las distancias especificas de fuga. En la presencia de ambientes combinados ocurre el fenómeno de flameo y descarga disruptiva en el aislamiento externo, esto se hace mas crítico con la presencia de llovizna, rocío, niebla y nieve. Estas condiciones son mas severas cuando las capas contaminantes se encuentran totalmente húmedas sin un lavado significativo con la cual la corriente de fuga fluye a través de la capa contaminante, formando bandas secas que disminuyen la tensión de aguante debido a que el aislamiento presenta descargas parciales. El nivel de contaminación se cuantifica por la cantidad de miligramos de sal que se acumula en cierto tiempo, en un área de un centímetro cuadrado de la superficie del aislador; a esta cantidad se le conoce como: Densidad Equivalente de Sal Depositada ( DESD ).
……
…………- 74
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
NIVEL DE CONTAMINACIÓN
AMBIENTES TÍPICOS
DISTANCIA MÍNIMA ESPECIFICA (mm/kV)
DESD (mg/cm2)
Ligero
- Áreas sin industria y con baja densidad de casas equipadas de calefacción. - Áreas con baja densidad de industrias o casas pero sujetas a frecuentes vientos y/o lluvias. - Áreas agrícolas. - Áreas montañosas. - Todas estas áreas deben de estar situadas por lo menos de 10 a 20 km del mar y no deben de estar expuestos a vientos directamente del mar
16
0.03 – 0.06
20
0.06 – 0.12
Alta
- Áreas con alta densidad de industrias y suburbios de grandes ciudades con alta densidad de calefactores que producen contaminación. - Áreas cercanas al mar o expuestas a vientos fuertes del mar.
25
0.12 – 0.24
Muy Alta
- Áreas de extensión moderadas sujetas a polvos conductivos y a humos industriales que producen depósitos conductivos - Áreas de extensión moderada muy cercanas a la costa y expuestas a la brisa del mar o a vientos fuertes y contaminantes del mar. - Áreas desérticas caracterizadas por grandes periodos de lluvias, que llevan arena y sal sujetas a condensación regular.
31
0.24 – 0.48
Medio
- Áreas con industrias que no producen humo particularmente contaminante y/o una densidad promedio de casas equipadas con calefacción, - Áreas con alta densidad de industrias o casas pero sujetas a frecuentes vientos y/o lluvias. - Áreas expuestas a vientos del mar, pero no demasiado cerca de la costa (por lo menos varios km de distancia).
Niveles de contaminación
……
…………- 75
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
Distancia de fuga de un aislador
Aislador para ambientes ligeros de contaminación
Aislador para ambientes medios y altos de contaminación
EXPRESIONES PARA DETERMINAR EL No. AISLADORES POR CONTAMINACIÓN.
⎛ Vm ⎞ Dft = Dme⎜ ⎟ ⎝ 3⎠
No.deAisladores =
Dft Dfa
Donde: Dft= Distancia de fuga total Dme= Distancia mínima específica Vm= Voltaje máximo de diseño Dfa= Distancia de fuga del aislador
……
…………- 76
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
Conclusión del Tema 3. Diseño eléctrico de Líneas de Transmisión De acuerdo a lo analizado en este tema, se confirma que el fenómeno mas constante y que causa efectos sobre las Líneas de Transmisión son las descargas atmosféricas, por estar expuestas en todo momento, ante ello solo resta tomar las consideraciones a nuestro alcance para tratar de minimizar los efectos, por lo cual debemos seleccionar adecuadamente los elementos de diseño: ángulos de blindaje, la resistencia al pie de la estructura y la coordinación de aislamiento de las estructuras que soportaran la Línea de Transmisión. Una vez que conocemos la trayectoria de la Línea de Transmisión y su perfil topográfico, estaremos en condiciones de evaluar un estimado del número de descargas que las incidirán y evaluar las dimensiones de los efectos. El modelo electrogeométrico nos permitirá evaluar nuestras estructuras de soporte propuestas, determinando si los ángulos de blindaje son los óptimos o en su defecto tomar la decisión de cambiar el tipo de estructura que cubra esta condición de blindaje óptimo, con ello estaremos tomando acciones para reducir el número de salidas por falla de blindaje en la Línea de Transmisión. Los flameos inversos se producen cuando el voltaje en la estructura supera al voltaje de las cadenas de aisladores, esto es provocado por no contar con buen sistema de tierras en la estructura de soporte. Este es otro factor a analizar y detectar con oportunidad el sistema de tierras adecuado para cada tipo de terreno en específico en donde se localicen las estructuras, esto encaminado a reducir la salida de líneas por flameos inversos. Finalmente con los niveles de tensión de aislamiento de aguante al impulso por rayo o por maniobra se calculan las distancias criticas de flameo y en consecuencia el número de aisladores para esta consideración, y también se verifica de acuerdo a los niveles de contaminación, las distancias de fuga de los aisladores sean las adecuadas, de no ser así se debe de cambiar el tipo de aislador por una que tenga mayor distancia de fuga, con esto se coordina el aislamiento tanto por distancia como por contaminación. Preguntas de Autoevaluación: ¿Cuáles son los elementos de diseño que intervienen para limitar el efecto de las sobretensiones por rayo? ¿Cuál es la finalidad de aplicar un análisis por el modelo electrogeométrico a las estructuras de soporte? ¿En que condiciones se presenta un flameo inverso? ¿Qué es la coordinación de aislamiento? ¿Para que niveles de voltaje se debe de calcular la coordinación de aislamiento por maniobra?
……
…………- 77
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
TEMA 4. LOCALIZACIÓN TOPOGRÁFICO
DE
ESTRUCTURAS
SOBRE
EL
PERFIL
Objetivo Específico: Al finalizar el tema, el participante realizará la localización de estructuras de una Línea de Transmisión sobre el perfil topográfico de acuerdo a las especificaciones de CFE. En este tema se proporcionará al participante, las herramientas necesarias para localizar las estructuras sobre el perfil topográfico, para finalmente obtener el diseño electromecánico de una Línea de Transmisión, identificando los resultados de diseño principales. Como punto final se elaboraran ejercicios de localización de estructuras sobre el perfil topográfico empleando el método manual y se evaluaran el desarrollo de las habilidades y conocimientos. Para cumplir nuestro objetivo de aprendizaje, seguiremos la siguiente secuencia: ; ; ; ; ; ;
Plantillas para localización de estructuras. Criterios de diseño para Líneas de Transmisión. Planos de Localización de estructuras. Perfiles en cruz y determinación de extensiones. Lista de distribución de estructuras. Cálculo de flechas y tensiones.
……
…………- 78
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
4.1. PLANTILLAS PARA LOCALIZACIÓN DE ESTRUCTURAS La plantilla para localización de estructura, es la representación grafica de las curvas catenarias plasmadas en un material sólido transparente generalmente se utiliza el acrílico, Una vez cumplido con todas las restricciones establecidas en las especificaciones de diseño se procede a dibujar la plantilla de las curvas carenarías, aplicando la expresión indicada en el tema 2.2.
⎡ ⎛x⎞ ⎤ y = P ⎢Cosh⎜ ⎟ − 1⎥ ⎝P⎠ ⎦ ⎣
Para graficar la curva catenaria, asignaremos valores a “x” para obtener su valor correspondiente a “y”. Para definir el rango de valores que le asignaremos al eje de las ordenadas (x), esta en función de lo siguiente: Para un terreno sensiblemente plano y lomeríos suaves, el claro máximo debe ser de 800m y como mínimo el claro base considerado para el análisis de las hipótesis de diseño. Para un terreno montañoso, el claro máximo debe ser de 1500m y como mínimo el claro base considerado para el análisis de las hipótesis de diseño. La constante de la catenaria o parámetro ( P ), es el valor considerado para el análisis de cada una de las hipótesis de diseño. La grafica de la curva catenaria debe de corresponder con las escalas verticales y horizontales de los planos del levantamiento topográfico. Las curvas plasmadas en la plantilla por lo menos deben contener las siguientes: Curva caliente para cable conductor (50ºC, sin viento y sin hielo). Curva caliente para cable de guarda (50ºC, sin viento y sin hielo). Curva fría para cable conductor (Temperatura mínima, viento reducido, hielo). Curva fría para cable de guarda (Temperatura mínima, viento reducido, hielo). Curva de libramiento a piso ( de acuerdo al nivel de voltaje). Curvas para los niveles de estructuras utilizadas. Los datos complementarios que debe de contener la plantilla son: Características mecánicas de los cables utilizados Claro base considerado para el cálculo de la curva catenaria Valores numéricos correspondientes a: Parámetro, Tensión, flecha y % ruptura del cable.
……
…………- 79
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
FLUJO PLÁSTICO EN CABLES (EFECTO CREEP) Los cables en las Líneas de Transmisión debido a las variaciones climáticas, experimentan normalmente cambios en sus tensiones longitudinales. Al paso del tiempo, a demás, se produce un alargamiento adicional permanente a lo largo de dichos cables y un aumento en consecuencia en la magnitud de la flecha. Ecuaciones para conductores tipo ACSR
⎡ T (100) ⎤ ϕ γ ( ) ( ) ε = k.⎢ θ t ⎣ UTR ⎥⎦ β
Donde: T= UTR= t= ε= θ= k= β, ϕ, γ=
Tensión diaria del conductor, kg. Tensión de ruptura del conductor, kg. Tiempo, horas. Deformación por creep, mm/kg Temperatura del conductor en condición EDS, ºC. Coeficiente de creep Constantes de creep Conductor ACRS R>7,5% ACRS R<=7,5%
C O N S T A N T E S k
β
ϕ
σ
1,4
1,3
0
0,16
0,24
1,0
1,0
0,16
Relación porcentual del área del acero con respecto al área del aluminio en la composición del conductor.
⎡ A (100) ⎤ R = .⎢ acero ⎥ ⎣ Aalu min io ⎦
Δθ =
ε α
Donde:
Δθ= α=
……
Cambio de temperatura, ºC. Coeficiente de dilatación lineal térmica, 1/ºC. …………- 80
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
En base a lo anteriormente expuesto, existen dos formas de realizar la compensación por temperatura. 1.- Considerar la temperatura máxima del conductor, incrementada Δθ equivalente del “creep”, en la curva de localización de estructuras (plantilla).
por
la
2.- Sobre tensionar el cable conductor en el momento del flechado, a un valor equivalente al cambio de temperatura. Cabe señalar que de acuerdo a lo indicado en las especificaciones de diseño para Líneas de Transmisión de la CFE, se contempla un periodo de envejecimiento para 10 años.
Punto de sujección
Curva de tendido Punto de sujección Efecto Creep
Flecha
A 50ºC, S/V, S/H
Curva de tendido
A 50ºC, S/V, S/H
LIBRAMIENTO A PISO
LIBRAMIENTO A PISO
Efecto Creep
Punto de sujección
Flujo plástico en cables (Efecto Creep)
En Líneas de Transmisión con conductores tipo ACSR, los incrementos reflejados en las flechas verticales y en consecuencia reducción de las distancias de libramientos a piso del cable conductor mas bajo a piso, las podemos encontrar desde los 40cm hasta 1,60m, esto depende de la longitud del claro interpostal, desniveles entre los apoyos de las estructuras adyacentes y temperaturas de la zona en que operará la Línea de Transmisión.
……
…………- 81
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
COORDENADAS PARA GRAFICAR LA CURVA CATENARIA Parámetro (C) Rango de Valores X -400 -380 -360 -340 -320 -300 -280 -260 -240 -220 -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400
……
1425
⎤ ⎡ ⎛ x ⎞ y = P ⎢ Cosh ⎜ ⎟ − 1 ⎥ ⎝P⎠ ⎦ ⎣
m
⎡ ⎛x⎞ ⎤ ⎛x⎞ Cosh ⎜ ⎟ P.⎢Cosh⎜ ⎟ − 1⎥ ⎝P⎠ ⎦ ⎣ ⎝P⎠ 1,04 1,04 1,03 1,03 1,03 1,02 1,02 1,02 1,01 1,01 1,01 1,01 1,01 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,01 1,01 1,01 1,01 1,01 1,02 1,02 1,02 1,03 1,03 1,03 1,04 1,04
56,51 50,97 45,72 40,75 36,08 31,70 27,60 23,79 20,26 17,02 14,06 11,38 8,99 6,88 5,06 3,51 2,25 1,26 0,56 0,14 0,00 0,14 0,56 1,26 2,25 3,51 5,06 6,88 8,99 11,38 14,06 17,02 20,26 23,79 27,60 31,70 36,08 40,75 45,72 50,97 56,51
Escalas Vertical
Horizontal 2000
500
200
X
Y
Y
-200,00 -190,00 -180,00 -170,00 -160,00 -150,00 -140,00 -130,00 -120,00 -110,00 -100,00 -90,00 -80,00 -70,00 -60,00 -50,00 -40,00 -30,00 -20,00 -10,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00 110,00 120,00 130,00 140,00 150,00 160,00 170,00 180,00 190,00 200,00
282,55 254,84 228,58 203,77 180,41 158,48 137,99 118,93 101,29 85,08 70,29 56,92 44,96 34,41 25,28 17,55 11,23 6,32 2,81 0,70 0,00 0,70 2,81 6,32 11,23 17,55 25,28 34,41 44,96 56,92 70,29 85,08 101,29 118,93 137,99 158,48 180,41 203,77 228,58 254,84 282,55
113,02 101,94 91,43 81,51 72,16 63,39 55,19 47,57 40,52 34,03 28,12 22,77 17,98 13,77 10,11 7,02 4,49 2,53 1,12 0,28 0,00 0,28 1,12 2,53 4,49 7,02 10,11 13,77 17,98 22,77 28,12 34,03 40,52 47,57 55,19 63,39 72,16 81,51 91,43 101,94 113,02
…………- 82
DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
……
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DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
4.2. CRITERIOS DE DISEÑO PARA LÍNEAS DE TRANSMISIÓN Los criterios para el diseño de Líneas de Transmisión aplicables para el diseño de Localización de estructuras es muy extenso por la razón que se tiene considerados una gran cantidad de variables, pero en este tema trataremos de ser más precisos y mencionaremos los más esenciales: Definir la forma de consideración del efecto plástico en el cable conductor (Creep). Optimizar al máximo la localización de estructuras en el perfil topográfico respetando en todo momento el libramiento a piso. La primer y última estructura en una línea debe ser de remate y estará ubicada entre 40 y 60 m hacia el marco de remate o entronque. En lo posible conservaremos el claro interpostal muy similar al claro base En los puntos de inflexión debe de instalarse torres de tensión en los niveles más bajos posibles. En las tangentes de longitudes considerables, debe de instalarse torres de remate como rompetramos en los niveles mas bajo posibles. En lo posible no exceder los usos de las estructurar En Línea de Transmisión con torres, instalar torres de remate en tangente para no rebasar longitudes de 6,5km En Línea de Transmisión con postes, instalar postes de remate en tangente para no rebasar longitudes de 2,3km Para cruzamientos con Líneas de Transmisión se debe considerar: Proyecto/Existente
400kV
230kV
115kV
<115kV
115kV
Abajo
Abajo
Indistinto
Arriba
230kV
Abajo
Indistinto
Arriba
Arriba
400kV
Indistinto
Arriba
Arriba
Arriba
Realizar los cálculos para los cambios de estado con las características mecánicas de los cables a utilizar. Verificar cuales condiciones rigen al diseño, pueden presentarse los siguientes caso: 1.- Viento Máximo en los cables conductores, 2.- Temperatura Mínima en los conductores, 3.- Tensiones máximas en crucetas de cable de guarda con fibras ópticas por el peso propio del cable de guarda con fibras ópticas. En Líneas de Transmisión con longitudes mayores a 150km se deberán de instalar (en terreno plano) torres de transposición a 1/6, ½ y 5/6 de la longitud total. En cruzamientos con vías férreas y autopistas de deben de instalar torres de remate en ambos lados del cruce. Marcar con el símbolo de cadenas de aislamiento en las torres de tensión. Dibujar con símbolos las distancias de seguridad en cada obstáculo a cruzar.
……
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Cabe mencionar que el diseño de una Línea de Transmisión, también será evaluado económicamente, por esta razón debemos tener presente en que conceptos podemos optimizar en el instante de definir la ubicación, el nivel y las holguras de catenarias con respecto a los libramientos mínimos establecidos a cruzar en cada nivel de voltaje. Conceptos que inciden en la optimización de una Línea de Transmisión, desde el enfoque electromecánico: Familia de estructuras -Suspensión, deflexión y remate- (ángulos de blindaje, tensiones máximas en crucetas, altitud de operación, peso) Parámetro propuesto para la condición de partida (50ºC, sin viento y sin hielo) Localización de estructuras sobre el perfil topográfico (niveles, usos de estructuras, claros equivalentes y catenarias) En la medida que seleccionemos adecuadamente los anteriores conceptos, nos impactaran directamente en los siguientes montos: Suministro de acero estructural Suministro de cable conductor Adicionalmente en la ejecución de la obra civil y electromecánica se incrementaran los volúmenes de obra. Es importante mencionar que el monto de los suministros representa de un 75% al 85 % del costo total de la construcción de una Línea de Transmisión. Estos suministros se desglosan en los siguientes porcentajes: 55% acero estructural 30% cable conductor (un conductor por fase) 15% aislamiento, herrajes, sistemas de tierras. Para Líneas de Transmisión con 2 o más conductores por fase el comportamiento de porcentajes se inclina a favor del cable conductor, posicionando en segundo termino al acero estructural y finalmente al resto de materiales como aislamiento, herrajes y sistemas de tierras.
……
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4.3. PLANOS DE LOCALIZACIÓN DE ESTRUCTURAS Una vez determinado el parámetro para cables conductores y de guarda y elaborada la plantilla de curvas se procede a la localización de estructuras sobre los planos del levantamiento topográfico, para ello se emplean los siguientes métodos: MANUAL Sobre los planos de planta y perfil topográfico se deben de identificar los obstáculos y restricciones especiales a cruzar y señalar o marcar las distancias de cruzamiento de acuerdo a las indicadas en las especificaciones de diseño de Líneas de Transmisión. Marcar los puntos de inflexión, dado que serán puntos obligados de instalación de estructuras de deflexión o remate. Elaborar tarjetas que contengan marcadas las alturas útiles de acuerdo a los niveles a emplear en nuestro proyecto. Arrastrar o superponer la plantilla rígida en acrílico, físicamente sobre los planos del levantamiento topográfico, conservando en todo momento los libramientos a piso marcados con anterioridad y colocando a los extremos las tarjetas de las alturas útiles, para definir el nivel de las estructuras. Una vez cumplido con los libramientos, finalmente calcamos la curva mediante un lápiz de color tomando como guía la plantilla acrílica.
ASISTIDO POR COMPUTADORA (AUTOCAD) Utilizando las herramientas actuales, se emplea un software en ambiente CAD (Diseño Asistido por Computadora), ello nos permite ejecutar las actividades directamente en pantalla.
SOFTWARE PARA EL DISEÑO DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN (PLS-CADD) Actualmente existen en el mercado software especializados para el Diseño Electromecánico de Líneas de Transmisión, en CFE, se ha adquirido en especifico el denominado: PLS-CADD ( Power Line System – Computer Aided and Design Drafting). PLS-CADD es un paquete completo de programas en plataforma Windows para el análisis y diseño de Líneas de Transmisión, que integra todos los datos y algoritmos necesarios para el diseño estructural y geométrico de la Línea. Permite además el trabajo en conjunto de: Topógrafos, diseñadores de líneas de transmisión, Ingenieros civiles y dibujantes.
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Realiza las tareas de: Trazo de la trayectoria general de la línea de transmisión, diseño estructural de torres, postes y marcos de remate de diferentes materiales, distribución óptima de estructuras, cálculos de flechas y tensiones, producción de planos de planta, perfil y proyecto para su construcción. PROCESOS TERRENO EN 3-D CLASIFICACIÓN DE DATOS CARACTERISTICOS DEL TERRENO.
ENTRADAS
FRANJA DE TERRENO. CRUZAMIENTOS EN LA TRAYECTORIA
MODELO DE LÍNEA EN 3-D
LIBRERIAS CRITERIOS DE DISEÑO. DISTANCIAS DE SEGURIDAD. GEOMETRIA DE ESTRUCTURAS. PROPIEDADES DE CABLES.
ALGORITMOS LOCALIZACIÓN -Automática -Manual TENDIDO DE CABLES. FLECHADO.
REPORTES: -Lista de materiales -Flechas y tensiones -Balanceos de cadenas -Gráficas de utilización de estructuras. DIBUJOS: -Planos de planta, perfil, proyecto y en 3-D, exportados a ambientes CAD. ARCHIVOS: -De respaldo para modificaciones futuras.
SALIDAS
CÁLCULOS FLECHAS Y TENSIONES. LIBRAMIENTOS. ÁRBOLES DE CARGA. BALANCEOS.
Estructura funcional del PLS-CADD Independientemente del método empleado para la localización de estructuras sobre el perfil topográfico, el resultado final son los planos topográficos, en planta, perfil, plasmados las estructuras y las curvas catenarias, estos deben de contener la siguiente información: Kilometraje del sitio en donde han sido localizadas las estructuras Número consecutivo de las estructuras, iniciando con la primera estructura después del marco de remate. Tipo de la estructura Nivel de la estructura Claro efectivo, claro medio horizontal y claro vertical Puntos mas bajos de las catenarias
……
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4.4. PERFILES EN CRUZ Y DETERMINACIÓN DE EXTENSIONES Para estar en condiciones de determinar las extensiones de las estructuras, debemos de contar con los siguientes documentos: PERFILES EN CRUZ: Son levantamientos topográficos, que nos representan el desnivel del terreno con respecto al punto central (mojonera) de la estructura, de las patas alternas, es decir de la 1 a la 3 y de la 2 a la 4.
……
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PLANTILLAS EN DIAGONAL: Documento en papel transparente, en que se plasma la geometría de la estructura, a nivel botom-panel, incluyendo las extensiones, en base a las pendientes obtenidas de los planos de montaje. Finalmente el procedimiento para determinar las extensiones, consiste sobreponer la plantilla en diagonal sobre el perfil en cruz y alinear el eje del nivel de la estructura correspondiente en la parte central y por consecuencia verificaremos a los costados la extensión que le corresponde a cada pata.
TORRE EA4A22MA -5
USO: SUSP. 3°/450m/750m
PLANTILLA DE SECCIONES DIAGONALES PARA DETERMINACIÓN DE EXTENSIONES Acotaciones: m Escala: 1:100
COTA CENTRAL
……
DE TORRE
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……
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DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
4.5. LISTAS DE DISTRIBUCIÓN Documento en donde se concentra toda la información de los planos de localización de estructuras, es decir son hojas resumen del proyecto de localización de estructuras, estas deben de contener la siguiente información: Resumen de estructuras por tipo y nivel Claro efectivo, claro medio horizontal y claro vertical Magnitud de los puntos de inflexión Kilometraje consecutivo de ubicación de las estructuras Cruzamientos a lo largo de la trayectoria Referencia de los planos de localización de estructuras Número consecutivo de las estructuras, iniciando con la primera estructura después del marco de remate. Extensiones de las patas cuatros patas
CLARO EN METROS
EXTENSION
C R U Z A M I E N T O S R
197,00
15,40
281,00
57,50
0,00
A B
1
MARCO
2
TAR302P + 0
0,00
A B A B A B A B A B
A B
29º36'44"DER
30,79
+0
+0
+0
+0
149,40
1213 DMP
115,00
4
TAD602P + 0
270,00
RESUMEN DE TORRES
3 X +0
+0
+0
+0
446,00 364,16
5 6
2W2 + 12
45º07'56DER
2W2 + 8
39º55'51"DER
413,81
+0
+0
+0
+0
5
998,33
+0
+0
+0
+0
6
A
584,52
645,00 518,71
7
1451,22
TASG2P + 6
+0
+0
+0
8
TASG2P + 3
9
TAD602P + 3
10
TASG2P + 6
11
TAD602P +0
12
TASG2P + 0
1830,01
+0
+0
+1
+0
8
2161,61
+0
+0
+0
+0
9
2600,00
-1
+1
+1
+0
10
2824,70
+0
+0
+0
+0
11
3054,00
+0
+0
+0
+0
331,60
480,00 385,00
08º23'00"DER
24º28'06"IZQ
346,00
167,00 280,30 132,98
A
B
13
TAR302P + 0
5º39'06"IZQ
3400,00
+0
+0
+0
+0
13
14
TAR302P + 0
90º00'00"IZQ
3614,60
+0
+0
+0
+0
14
15
TAR302P+ 0
16º17'06"DER
3665,95
+0
+0
+0
+0
15
X
A
B
X
A
16
TASG2P+ 0
3918,32
+0
+0
+1
+2
16
B
X
A
X
B
TASG2P-3
4134,32
+0
+0
+0
+0
16a
17
TASG2P + 0
4446,71
+1
+0
+0
+1
17
18
TASG2P + 0
4684,00
+0
+0
+0
+0
18
19
TASG2P - 3
4902,00
+0
+0
+0
+0
20
TASG2P + 0
5212,00
+0
+0
+0
+0
20
21
TASG2P - 3
5538,00
+2
-1
-1
+1
21
22
TASG2P + 0
6000,00
-1
-1
+2
+1
22
23
TASG2P + 0
6229,20
+0
+0
+1
+1
A
350,56
1
3
TENDIDO 2 CIRCUITOS
TOTAL =
24
4
"AS BUILT"
JAVP
SHHM
JLCL
TORRE EN ESCURRIDERO
27-ago-02
No.
DESCRIPCION.
EJECUTO.
REVISO
APROBO
FECHA
CAMBIOS
X
COMISION FEDERAL DE ELECTRICIDAD
P.I.-5A
SUBDIRECCION DE CONSTRUCCION
P.I.-6
COORDINACION DE PROYECTOS DE TRANSMISION Y TRANSFORMACION
A
B
A
X
A
X
P.I.6BIS IGUALDAD
PROYECTO: L.T. VALLARTA POT - VALLARTA I 115 KV - 2C - 11,0 KM - 795 ACSR - TA/PA ( TENDIDO DEL 1ER. CIRCUITO )
DISTRIBUCION DE TORRES NOMBRE
A A
FIRMA
FECHA AGO/01
24
……
TAD602P + 0
41º45'31"DER
6711,33
+0
+0
+0
+0
24
AGO/01 AGO/01
A VALIDO: ING. JOSÉ LUIS CASTILLO LARA
A
A
A
A
A
A
NO. DE OBRA. 6HRN1 No. ARCHIVO DE C.F.E.:
23 4
REVISO: ING. JUAN GABRIEL MENDOZA GUIZAR VERIFICO: ING. SAULO HUMBERTO HERNÁNDEZ MATA
X
A
482,13
449,00 416,34
2W2 + 8
19
229,20
374,00 355,66
1
EJECUTO: ING. JOSÉ ALEJANDRO VÁZQUEZ PALOMINO.
462,00
290,00 345,60
4
2W2 + 12
A 3
326,00
510,00 394,00
TAR302P + 0
B
310,00
137,00 318,00
TAD602P + 0
TITULO :
218,00
340,00 264,00
P.I. No 3 TENDIDO 2 CIRCUITOS
A
237,29
354,00 227,65
1
TENDIDO 2 CIRCUITOS
A B
A
16a
TAD602P + 3
P.I. No 5
312,39
282,00 274,84
TENDIDO 2 CIRCUITOS
TENDIDO 2 CIRCUITOS
216,00
152,50 264,20
7
P.I. No 4
249,89
303,00 232,95
TASG2P + 0
TENDIDO 2 CIRCUITOS
A
3668,43
1
P.I. No 2
TENDIDO 2 CIRCUITOS
A
51,35
110,00 150,62
A
12 2
214,60
82,00
A
A
229,30
292,50 287,65
B
A
224,70
170,00 227,00
B
2
TASG2P + 3
TENDIDO 2 CIRCUITOS
A
A
438,39
325,00 331,54
A
7
+0
378,79
289,00 355,20
B
B
B
452,89
443,00 415,84
TASG2P + 6
TENDIDO 2 CIRCUITOS
B
3
TASG2P -3
A
4
1
143,81
1
1213 DMP
TENDIDO 2 CIRCUITOS
B 3
3
RESUMEN DE POSTES
P.I. No 1
155,00
86,00
FINAL
4
TENDIDO 2 CIRCUITOS
2
84,21
106,00 119,61
INICIO
S.E. VALLARTA POT.
1
30,79
2
1
OBSERVACIONES
RODADA
CERCA DE ALAMBRE
ESCURRIDEROS
CONSTRUCCION
RIO
BARRANCA
CANAL
ARROYO
CULTIVO
REPRESA
TELEFONO
TELEGRAFO
L. D E D I S T R I B U C I O N
LONGITUD EN METROS
L. D E T R A N S M I S I O N
4
CAMINO
3
CARRETERA
2
FERROCARRIL
1
No. DE HOJA
PATAS No.
No. DE TORRE
UBICACIÓN DE LAS TORRES EN MTS.
DEFLEXIÓN
kM IGUALDAD
TIPOS Y ALTURA DE LAS TORRES
No. DE TORRE
CLARO EFECTIVO
CLARO MEDIO HORIZONTAL
CLARO VERTICAL
I
P.I. No. 7
CLAVE DE PROYECTO: NLN98788
AGO/01 HOJA 1 DE 4
IDENTIFICADOR DE ASEGURAMIENTO DE CALIDAD: NLN98788E00LT005
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DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
4.6. CÁLCULO DE FLECHAS Y TENSIONES Se calculan para tramos de tendido comprendidos entre estructuras de tensión en la condición de temperatura promedio, sin viento y sin hielo, con la finalidad de proporcionar los valores de flecha para cada claro interpostal y las tensiones en los extremos de las estructuras de tensión. Este cálculo nos ayuda a detectar diferencial de tensiones en las estructuras de deflexión y con ello poder tomar acciones correctivas previas al tendido del cable conductor. Recordemos que si la compensación por efecto “creep” es a base ajustar temperaturas en el flechado, se debe de considerar el decremento del valor de temperatura previamente calculado en el punto 4.1.
Punto de sujección
Curva de tendido
Flecha
Punto de sujección
Curva de tendido
Punto de sujección
Curva caliente
……
LIBRAMIENTO A PISO
LIBRAMIENTO A PISO
Curva caliente
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DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
La base para elaborar el cálculo se basa en los siguientes conceptos: CLARO REAL (Cr): Es la hipotenusa del triangulo formado por el claro base y el desnivel existente entre sus puntos de sujeción del cable entre dos estructuras adyacentes.
Claro real = Cb 2 + d 2 Donde: d= Desnivel entre puntos de apoyo de conductores CLARO REGLA (CR):Denominado claro regulador o equivalente y es un vano ficticio equivalente a una sucesión de claros efectivos y desniveles de las estructuras continuas comprendidas entre dos estructuras de tensión. METODO DE TRUSCA Cr 3 ∑ Cb 2 Claro regla = Cr 2 ∑ Cb
∑ Cb Cr ∑ Cb
3
2
METODOLOGÍA EMPLEADA POR EL PLS-CADD
Cb 4
Claro regla =
∑ Cr ∑ Cr
CMH CV CMH CV Cable conductor
Punto de sujección
Cable conductor
CMH CV
Punto de sujección
Punto de sujección
Cable conductor
Parámetro de la catenaria (P)
……
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DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
PROYECTO : L.T. TEPIC II - SANTIAGO 115 kV 1 ó 2 circuitos Cable conductor 795 ACSR
DATOS GENERALES DE LAS TORRES
TEMPERATURA DE -10°C
TEMPERATURA DE -5°C
TORRE
TORRE
NUMERO
CLARO
DESNIVEL
C. DETERM.
TENSION
PARAMETRO
FLECHA
TENSION
PARAMETRO
ANTERIOR
POSTERIOR
TRAMO
(m)
(m)
(m)
(kg)
(m)
(m)
(kg)
(m)
FLECHA (m)
21 22 23 24 25 26 27
22 23 24 25 26 27 28
1 1 1 1 1 1 1
203,00 328,00 357 371 469 270 258
2,000 22,000 5,000 5,000 2,000 4,000 8,000
352,45
2442,48
1503,99
2,64 8,73 10,65 11,64 19,68 5,44 4,86
2404,90
1480,85
2,75 8,89 10,81 11,80 19,85 5,59 5,00
28
29
2
382
5,000
382,00
2384,10
1468,04
12,44
2353,18
1449,00
12,61
Formas de listado de flechas y tensiones
structure #2 to structure #3 Cable 477 Hawk', Ruling span (m) 413.61 Parámetro (m) 1432 Span Length
(m) 422.2
Mid Span Sag 0 C (m) 12.85
Mid Span Sag 5 C (m) 13.06
Mid Span Sag 10 C (m) 13.28
Mid Span Sag 15 C (m) 13.50
Mid Span Sag 20 C (m) 13.71
Mid Span Sag 25 C (m) 13.92
Mid Span Sag 30 C (m) 14.13
Mid Span Sag 35 C (m) 14.34
Mid Span Sag 40 C (m) 14.55
Mid Span Sag 45 C (m) 14.76
Mid Left Span Span Struct Vertical Sag Number Projection 50 C (m) (m) 14.96 1 -86.44
Horiz Horiz Horiz Horiz Horiz Horiz Horiz Horiz Horiz Horiz Horiz Tension Tension Tension Tension Tension Tension Tension Tension Tension Tension Tension 0 C 5 C 10 C 15 C 20 C 25 C 30 C 35 C 40 C 45 C 50 C (N) (N) (N) (N) (N) (N) (N) (N) (N) (N) (N) 16134 15868 15610 15361 15125 14892 14673 14458 14251 14053 13859 Catenary Catenary Catenary Catenary Catenary Catenary Catenary Catenary Catenary Catenary Catenary Constant Constant Constant Constant Constant Constant Constant Constant Constant Constant Constant 0 C 5 C 10 C 15 C 20 C 25 C 30 C 35 C 40 C 45 C 50 C (m) (m) (m) (m) (m) (m) (m) (m) (m) (m) (m) 1772 1743 1714 1687 1661 1636 1612 1588 1565 1543 1522
Formas de listado de flechas y tensiones
……
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DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
LISTA DE VERIFICACIÓN DE DISEÑO Este documento tiene como finalidad verificar que realmente se obtuvieron los datos de entrada de cada una de las etapas de diseño y detectar con oportunidad deficiencias o desviaciones, antes de proceder a formalizar el diseño. A continuación se enlistaran los puntos de verificación de un diseño electromecánico de Líneas de Transmisión: INGENIERÍA BÁSICA Se cuenta con la hoja del POISE que indique las características básicas de la Línea de Transmisión. Se cuenta con plano de trayectoria general. Se cuenta con los planos de llegada, salida y entronque. TRAYECTORIA GENERAL Y PERFIL TOPOGRÁFICO Están definidos claramente los puntos de inflexión. El cadenamiento parte de la bahía de la subestación origen. Esta definido claramente el punto final de la trayectoria de la Línea de Transmisión. Coinciden los obstáculos plasmados en planta con los dibujados en perfil. Están dibujados los cables conductores en cruzamientos con Líneas existentes. Indican el tipo de terreno y clasifican la vegetación a lo largo de la trayectoria. Las escalas del levantamiento topográficas son las correctas. CARACTERIZACIÓN DE LA TRAYECTORIA Se cuentan con los soportes que evidencien la forma de determinar las temperaturas de la zona de influencia. Se verificó la memoria de cálculo de la presión del viento. Se cuenta con el mapa de isodensidad Se clasifico el nivel de contaminación a lo largo de la trayectoria. Se valido la presencia de hielo en la zona de influencia. PARTICULARIDADES DEL PROYECTO Existen libramientos especiales en alguna zona protegida. Existen requerimientos especiales en cruzamientos con vías de ferrocarril privadas. Existen requerimientos especiales en propiedades privadas con ampliaciones a futuro. Existen estructuras obligadas
……
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DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
SELECCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS DE SOPORTE Las estructuras cumplen con los usos mecánicos Las estructuras cumplen con los aspectos eléctricos Las estructuras cumplen con los aspectos ambientales DISEÑO MECÁNICO DE LOS CONDUCTORES Los datos mecánicos de los cables conductores y de guarda, corresponden a los proveedores de los que finalmente se van a instalar. Se verificaron las tensiones máximas de diseño de crucetas de cable conductor y guarda. Se cumplen con los porcentajes de tensión de ruptura del cable conductor en todas las hipótesis de diseño. No se exceden las tensiones máximas de diseño de las crucetas del cable de guarda. Se consideró el cálculo del flujo plástico del cable conductor para un envejecimiento para 10 años. La plantilla de localización de estructuras cumple con las escalas del levantamiento topográfico. LOCALIZACIÓN DE ESTRUCTURAS SOBRE EL PERFIL TOPOGRÁFICO Y LISTAS DE DISTRIBUCIÓN Los planos de localización de estructuras cumplen con toda la información La información contenida en la lista de distribución de estructuras corresponde a la plasmada en los planos de localización de estructuras. El resumen de estructuras corresponde, a la cantidad, tipo y nivel de las estructuras de cada hoja de la lista de distribución. Se exceden los usos de las estructuras DETERMINACIÓN DE LAS EXTENSIONES Se verificaron las pendientes de las estructuras para elaborar las plantillas en diagonal. Las escalas son correctas de los perfiles en cruz Se verificó la ultima revisión de los planos de montaje CÁLCULO DE FLECHAS Y TENSIONES Se verificaron el diferencial de tensiones en estructuras en deflexión Se realizo el ajuste temperaturas para la compensación por efecto “creep” Se aproximan los valores del claro regla de los tramos de tendido con respecto al claro base.
……
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DISEÑO ELECTROMECÁNICO DE LÍNEAS AÉREAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
Conclusión del Tema 4. Localización de estructuras sobre el perfil topográfico De acuerdo a lo analizado en este tema, para efectuar una óptima localización de estructuras se deben de tomar en cuenta ciertos elementos que nos garanticen cubrir los criterios de diseño para una Línea de Transmisión. Partiendo desde la elaboración de la plantilla para la localización de estructuras, la cual debe de contener plasmadas las curvas calientes y frías para cables conductores y de guarda, los libramientos a piso, en las escalas correspondientes a los planos del levantamiento topográfico. Para la localización de estructuras sobre el perfil topográfico debemos de elegir el método que dominemos, ya sea manual, asistido por computadora o por algún software para diseño especifico, lo anterior con la finalidad de realizar nuestro diseño de la mejor manera y evitar posibles omisiones de datos de entrada. Para obtener las extensiones de las torres autosoportadas, es vital obtener las plantillas en diagonal partiendo de los planos de montaje (localización de stubs), que donde debemos verificar las pendientes de la torre. Con el cálculo de flechas y tensiones, verificamos posibles diferencias de tensiones en torres de deflexión en tramos adyacentes de tendido (derivados de claros reglas diferentes al claro base o por grandes desniveles) y con ello evaluar el incremento o decremento de los valores de parámetro para equilibrar en lo posible las tensiones. En los planos de localización de estructuras, las listas de distribución de estructuras, la determinación de extensiones y el cálculo de flechas son el resultado del diseño electromecánico principales de una Línea de Transmisión. Finalmente se agregó una lista de verificación de diseño que nos servirá para revisar que hemos cumplido con los criterios de diseño normalizados y a demás nos da la oportunidad de tomar acciones correctivas en caso de proceder antes de validar nuestro diseño. Preguntas de Autoevaluación: ¿Qué debe contener una plantilla de localización de estructuras? ¿Qué entendemos por criterios de diseño? ¿En que momento podemos determinar tensiones desbalanceadas en las torres de deflexión? ¿Cuáles son los resultados de diseño electromecánico principales de una Línea de Transmisión? ¿Cuál es la utilidad de la lista de verificación de diseño de una Línea de Transmisión?
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Conclusión General Un buen diseño electromecánico, depende de la habilidad y conocimientos del proyectista, así como de su visión en todos sus aspectos a los que estará expuesta la Línea de Transmisión, ello nos permitirá seleccionar adecuadamente cada uno de los elementos. Los datos de entrada para cada proyecto de construcción de una Línea de Transmisión, se deben de conocer a detalle y con oportunidad, así como identificar los documentos o fuentes de referencia para estar en condiciones de validarlos. Solamente evaluando los aspectos: topográficos, mecánicos, ambientales, eléctricos y particularidades de diseño, en esa medida ajustaremos cada uno de los componentes para que cumplan correctamente su función dentro de la Línea de Transmisión, para conseguir finalmente la confiabilidad de transmisión de energía eléctrica. Finalmente, después de concluir con el diseño electromecánico de una Línea de Transmisión, es fundamental verificar los resultados, para validar que nuestras consideraciones corresponden a las especificaciones de CFE.
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BIBLIOGRAFÍA Título: Autor(es): Editorial: Año: País: Isbn:
Líneas de Transporte de energía Luís Maria Checa Alfaomega - marcombo 2000 Colombia 970-15-0576-X
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Especificación para diseño de Líneas Aéreas CFE CFE 2003 México, DF S/N
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Diseño electromecánico de Líneas de Transmisión Colegio de Ingenieros Civiles de México Colegio de Ingenieros Civiles de México 2001 México, DF S/N
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Curso tutorial de coordinación de aislamiento. Ing. Gilberto Enríquez Harper, Ing. Carlos Ramírez Pacheco. Sección México IEEE. 2003 México, DF S/N
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Selección de electrodos y rellenos químicos para sistemas de tierras en líneas de transmisión Ing. Ignacio Cortés Canchola CFE 2004 México, DF S/N
Autor(es): Editorial: Año: País: Isbn:
Manual elaborado por: José Alejandro Vázquez Palomino Oficina de Diseño de Líneas de Transmisión Residencia Regional de Construcción Occidente
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