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ESTRUCTURAS PARA LINEAS DE TRANSMISIÓN Gonzalo Xavier Peñaloza Guillé
[email protected] Bayron Alexis Cardenas
[email protected] Juan Daniel Armijos
[email protected] Jorge Alejandro Gomez
[email protected] Universidad Politécnica Salesiana Sistemas Eléctricos de Potencia I
Resumen—Las lineas de transmisión sirven para transportar o guiar guiar la energía energía eléctrica eléctrica desde desde una fuente fuente de generac generación ión a los centros centros de consum consumo, o, pero pero necesi necesita ta de soporte soportess físicos físicos para su marcha,este marcha,este documento documento analiza los elementos elementos de soporte soporte de conductores conductores y aisladores aisladores de las líneas de alta tensión llamadas “estructuras” clasificadas según su función tanto como torres de suspensión y retensión.
ransmisión, Soporte, Soporte, Conductores Conductores,, Index Terms—Línea de Transmisión, Aisladores, Estructuras, Suspensión,Retensión.
I. INTRODUCC INTRODUCCIÓN IÓN Se conoce actualmente que la sociedad día tras día requiere de los servicios básicos para cubrir sus necesidades, entre ellas esta el consumo de energía eléctrica. Para transportar esta energía a las grandes urbes en la actualidad es un reto por ello se requiere de estructuras de gran magnitud como lo son estaciones eléctricas , subestaciones, postes y torres de transmisión. La siguiente investigación realiza un análisis detallado de las cargas y factores naturales que afectan a las estructuras de transmisión dependiendo del lugar donde se sitúa.[1]. Hoy en día, los niveles de voltajes de transmisión son generalmente considerados desde 110 kV y superiores. Voltajes Inferiores como 66 kV y 33 kV generalmente se consideran voltajes de subtransmisión, pero que ocasionalmente se utilizan sobre largas líneas con cargas ligeras. Voltajes menos de 33 kV son generalmente utilizados para distribución.
II-A1a. TORRES AUTOSOPORTAD AUTOSOPORTADAS: AS: Son estructuras formadas por celosía (enrejado) de acero, que por su geometría y diseño son capaces de soportar su propio peso y las fuerzas ejercidas por los cables conductores y de guarda.[2] Debido a su aplicación en cualquier tipo de terreno, las torres autosoportadas son los tipos de estructuras más tradicionalmente usadas para líneas de transmisión aéreas. Se pueden diseñar para diversas configuraciones de varios circuitos con diferentes disposiciones de fases en el espacio; resultan ser el diseño más económico aún en casos de requerimientos de torres de gran altura. Las torres autosoportadas están formadas con las partes mostradas en la Figura 1 y Figura 2
Figura 1. Partes que conforman conforman torres autosoportadas autosoportadas
II. ESTRUCTU ESTRUCTURAS RAS II-A. TIPOS DE ESTRUCTURAS El tipo de estructuras a utilizar para el diseño y en consecuencia la construcción de una Línea de Transmisión aérea, depende principalmente: Del nivel de tensión eléctrica de operación Calibre del conductor a ser instalado Cantidad de circuitos necesarios para el enlace a la red eléctrica Disposición de fases en el espacio Los costos o presupuesto destinado para su construcción Figura 2. Partes que conforman conforman torres autosoportadas autosoportadas Zonas por donde pasará la trayectoria de la Línea de Transmisión. II-A1b. TORRES DE RETENIDAS: Son estructuras for II-A1. TORRES AUTOSOPORTAD AUTOSOPORTADAS, AS, DE RETENIDAS Y madas por celosía (enrejado) de acero, que para soportar su MARCOS DE REMATE: propio peso y las fuerzas ejercidas por los cables conductores
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y de guarda, requieren de cables anclados al terreno, denominados “retenidas”. Las torres de retenidas son de dimensiones robustas, peso ligero y constante mantenimiento. El uso de este tipo de estructuras inicio en los años 30’s con forma de “H” denominadas “tipo portal”, Figura 3, años posteriores se introdujo el uso de torres en forma de “V”, Figura 4, y raramente se ha usado torres en forma de “Y”, Figura 5. La aplicación de torres con retenidas es común para líneas largas de sólo un circuito, especialmente parar terreno plano y accesible, por razones económicas y de estética. Para el uso de estas torres en zonas agrícolas se debe prever el refuerzo de anclas en la cimentación para minimizar el daño por impacto de la maquinaria agrícola.[3]
donde se requiere baja altura de las estructuras para lograr los libramientos de distancias dieléctricas. Normalmente los marcos de remate se diseñan de celosía de acero, aunque también es posible sean de acero tubular (ver Figura 6.)
Figura 6. Marco de Remate
En todos los casos, las fundaciones representan un papel importante en la seguridad y en el costo de una línea de transmisión, y deben permitir la fácil colocación de las tomas de tierra.
Figura 3. Torre de retenidas forma de H
Figura 7. Fundación
El tipo de terreno, por su agresividad, determina el cemento que se debe emplear. Hay torres de tipo especial, ya que en ellas se produce la transposición II-A2. TIPOS DE FUNDACIONES: Fundaciones de tierra: Estas fundaciones se usan en tramos de linea en las que no existe mucho esfuerzo a ser soportado, por ejemplo en vanos cortos, en terrenos regulares y que las lineas mantengan una dirección sin generar ángulos. Fundaciones de hormigón: Estas fundaciones se usan Figura 4. Torre de retenidas forma de V generalmente en torres de ángulo y de amarre o final de línea y para las estructuras especiales que requieren gran resistencia, como son las de cruce de ríos, y torres en los extremos de vanos extraordinariamente largos. Anclajes en roca: Estos anclajes pueden sustituir a los de bases de hormigón, en terrenos de rocas firmes. En las que es difícil cavar y realizar las fundaciones antes mencionadas. II-A3. ESFUERZOS A QUE ESTÁN SOMETIDOS LOS APOYOS EN LAS LINEAS AÉREAS: Esfuerzos verticales: Son aquellos debidos al peso de Figura 5. Torre de retenidas forma de Y los conductores y sobrecargas en los conductores. Esfuerzos transversales: Son debidos a la acción del II-A1c. MARCOS DE REMATE: Los marcos de remate viento sobre los apoyos, o a la acción resultante de los son comúnmente usados como estructuras mayores en las subconductores cuando están formando ángulo. Esfuerzo longitudinales: Provocados en los apoyos de estaciones eléctricas, sin embargo, han resultado buena opción principio o final de línea, por la tracción longitudinal de para su aplicación en líneas de transmisión; principalmente los conductores. en cruzamientos por debajo de otras líneas de transmisión,
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II-A4. EFECTOS DEL VIENTO A CONSIDERARSE.: Por su localización geográfica y su forma, las lineas se ven afectados por los siguientes parámetros.
La fuerzas dinámicas paralelas al flujo principal causadas por la turbulencia de el viento. Vibraciones trasversales al flujo: Por presencia de cuerpos en particular a los cilindros o prismáticos esbeltos dentro del flujo del viento. Vibraciones a alta frecuencia: Se presenta en los cables de transmisión sometidos a ráfagas del viento y produce fatiga en los apoyos de los mismos. Inestabilidad aerodinámica: A la dinámica de la respuesta causada por los efectos combinados de la geometría de la estructura y los distintos ángulos de incidencia del viento. Empujes dinámicos en la dirección del viento:
II-A5. POSTES TRONCOCÓNICOS: Son estructuras conformadas por secciones cónicas de acero, de apariencia esbelta (ver Figura 8.). Son frecuentemente usados en zonas urbanas y suburbanas donde los anchos de derechos de vía son estrechos y solo es posible el uso de claros interpostales cortos. Estos postes también son usados como estructuras compactas; incluyendo el empleo de crucetas aisladas. Son estructuras aplicadas para minimizar el impacto visual de las instalaciones. Es común que se usen para niveles de tensión eléctrica a partir de los 115 kV. Con estos tipos de estructuras es posible alcanzar alturas relativamente altas para el enganche de los cables. Es importante considerar que los proyectos de líneas de transmisión con postes troncocónicos son de alto costo de inversión.
Figura 9. Partes de un poste troncocónico
Cuando el diseño de los postes troncocónicos contempla la posición de los circuitos de un solo lado, se les conoce como postes troncocónicos “tipo lindero” (ver Figura 10). Otra variedad del uso de estos postes es para realizar transiciones de cable aéreo a cable aislados de potencia subterráneos, denominados “postes de transición” (ver Figura 11.).
Figura 10. Poste troncónico tipo lindero
Figura 11. Poste troncónico de transición Figura 8. Poste troncocónico de doble circuito
Las partes principales que conforman a un poste troncocónico son las siguientes: Tapa. Brazos o crucetas. Cañas. Escalones. Placa base. En las Figura 9. se ilustran las partes principales de los postes troncocónicos.
II-B. CLASIFICACIÓN DE ESTRUCTURAS II-B1. POR EL TIPO DE MATERIAL: Los materiales más comunes para la fabricación de estructuras para Líneas de Transmisión de energía eléctrica son el acero, el concreto y la madera. Aunque, existen otros tipos de materiales como el aluminio, la fibra de vidrio y algunos compuestos con polímeros y silicón (polysil), los cuales permiten que el diseño de las estructuras de transmisión minimicen el impacto ambiental y reduzcan el ancho de derecho de vía para aplicaciones en sistemas de transmisión, subtransmisión y distribución. En cuestión económica y por precio unitario, las estructuras formadas por postes de madera resultan ser las más baratas, le siguen en orden las estructuras formadas por postes de concreto, las torres de acero y los postes troncocónicos,
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siendo estas últimas las de mayor costo. Sin embargo, es necesario realizar un estudio económico para determinar el costo por Kilómetro de la Línea de Transmisión, en términos generales, las torres de acero resultan ser las de menor costo por Kilómetro. II-B1a. Estructuras de acero : Dentro de la clasificación de estructuras de acero se encuentran: Torres autosoportadas Torres con retenidas Postes troncocónicos Postes Morelos y tipo Independencia Marcos de remate II-B1b. Estructuras de aluminio : El uso del aluminio como material estructural se empezó a utilizar después de la segunda guerra mundial, sin embargo, no fue hasta 1960 cuando se diseño la primera torre de aluminio en estados unidos para una línea de transmisión de doble circuito y un nivel de tensión de 220 kV, ver Figura 12.
No es necesario tener crucetas para el montaje de los cables conductores, puesto que estos se instalan entre las secciones de los aisladores, y los cables de guarda son instalados en la parte superior del aislador. Las propiedades físicas de este tipo de materiales son excelentes aisladores y estructuralmente son bastante fuertes. Minimizan el espacio requerido para un circuito y mantienen la apariencia de la silueta al mínimo.
Figura 13. Postes Polysil (ilustrativa) para una linea de transmisión de 138kV
Figura 12. Torre de aluminio para un nivel de tensión de 220 kV
Estéticamente son adecuados para zonas urbanas, aprovechando las limitaciones del ancho de derecho de vía de las torres de acero. En relación a la altura del poste esta puede variar acuerdo a los requerimientos del terreno.
La comparativa de las torres de aluminio con las torres de acero de celosía resulta : No requieren ser galvanizados por el método de inmersión en caliente, debido a que el aluminio presenta II-C. POR LA CANTIDAD DE CIRCUITOS Y DISPOSImejores características de resistencia ante condiciones CIÓN DE FASES EN EL ESPACIO atmosféricas corrosivas. Las configuraciones y los detalles estructurales de diseño Las configuraciones más típicas de disposición de fases en son prácticamente los mismos que las torres de acero, el espacio son horizontales, verticales y en delta. Generalmente sin embargo, presentan problemas de mayor deformación la disposición horizontal produce estructuras de menor peso, originadas por las tensiones mecánicas debido al bajo la disposición vertical genera estructuras que demandan menor modulo de elasticidad del aluminio. ancho de derecho de vía, y la configuración en delta minimiza Las estructuras de aluminio son más ligeras y fácil de pérdidas eléctricas y efectos de campo magnético para estrucinstalar en comparación con las de acero. turas de un sólo circuito. Se ilustran las fotografías estructuras En lo que se refiere a los costos de mantenimiento las con disposición de fases horizontal Figura 14, vertical Figura estructuras de aluminio resultan ser más baratas que las 15. y delta Figura 16. de acero. II-B1c. Postes de Polysil: Actualmente, la investigación de nuevos materiales compuestos de polímeros y silicón (Polysil) para aplicaciones en estructuras de transmisión ha sido desarrollada por el EPRI (Electric Power Institute Research). Sin embargo, utilitarias como Florida Power and Light Company, y Hughes Supply, Inc., han participado en la instalación de una línea de transmisión de 138 kV con postes Polysil, ver Figura 13. Los postes “Polysil” presentan las siguientes características : Los postes constan de cuatro aisladores sobrepuestos sobre el eje vertical y están diseñados para ensamblarse Figura 14. Torre autosoportada con disposición de fases horizontal directamente al poste.
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Figura 17. Trayectoria de la línea de transmisión y ángulos de deflexión
Figura 15. Torre autosoprtada con disposición de fases vertical
Figura 16. Torre autosoportada con disposición de fases delta
II-D. POR SU FUNCIÓN Acorde a su función, las estructuras usadas para Líneas de Transmisión son divididas en tres tipos o clases: Estructuras de suspensión Las estructuras de suspensión (suspension supports) se utilizan en tramos rectos o con ángulos de deflexión muy pequeños con respecto al cambio de dirección del eje de la trayectoria de las líneas de transmisión, normalmente no exceden los 3º. Además, las estructuras de suspensión constituyen entre el 80 y 90 % del total de las estructuras consideradas en el diseño de una línea de transmisión . Durante condiciones normales de operación, las tensiones en los cables no transfieren esfuerzos adicionales a estas estructuras, están diseñadas para soportan únicamente las cargas verticales y la fuerza ejercida por la presión del viento actuando perpendicularmente con respecto a la dirección de la trayectoria de la línea de transmisión. Estructuras de deflexión Las estructuras de deflexión (Angle supports) son utilizadas cuando la línea de transmisión cambia de dirección. Este tipo torres se colocan en los puntos de intersección o inflexión, tales que el eje transversal de la cruceta biseca (divide) el ángulo formado por el conductor, igualando las tensiones longitudinales de los conductores en los claros adyacentes . Las estructuras de deflexión soportan las fuerzas ejercidas por la tensión de los cables cuando la trayectoria de la línea cambia de dirección. Los ángulos de deflexión que se recomiendan para el diseño de este tipo de estructuras oscilan entre los 5° y 60 ° dependiendo de las características de la línea de transmisión . En la Figura 17. se ilustran los ángulos de deflexión y cambios en la trayectoria de una línea de transmisión.
Estructuras de remate Las estructuras de remate son diseñadas para resistir la tensión permanente en el tendido de los conductores en un solo lado. Generalmente se colocan al inicio y final de la línea de transmisión con ángulos desde 0º hasta90º. Estructuras especiales Generalmente en el diseño y construcción de una línea de transmisión se presentan condiciones especiales de operación, entre estas podemos citar cruces de ríos o lagos Figura 18con claros grandes, las cuales requiere de estructuras con altura extraordinarias. Adicionalmente, existen otro tipo de estructuras que se pueden clasificar como especiales de acuerdo a su función: Estructuras de transposición. Estructuras de emergencia.
Figura 18. Estructura especial en un cruce de embalse
III. CONCLUSIONES Las estructuras para lineas de transmisión tiene como principal función soportar los cables conductores de energía a grandes dstancias. El principal fenómeno que afecta a las lineas de transmisión son las climatizaciones ya que este fenómeno afecta paralelamente a las líneas y en si a la estructura si esta no esta adecuadamente construida. Para la elección de una estructura para líneas de transmisión, se deber saber como elegir en base a la clasificación de las estructuras, el lugar en donde serán ubicadas y la manera de como de debe proceder para la función de las estructuras que le dará seguridad para que se mantenga en pie. En algunas zonas especialmente en montañas para la transportación de las estructuras se requiere llevarlas en helicóptero facilitando así que el proyecto se lleve con normalidad. En zonas de daños meteorológicos tales como, fuerte vientos, huracanes, deslaves, etc, o incluso en algunos casos por vandalismo existen estructuras conocidas como
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Sistemas de Restauración de Emergencia o estructuras tipo LINDSEY R EFERENCIAS [1] TESIS; Diseño de torres de transmisión eléctrica; Alma N HernándezFabian Morales Padilla- México DF 2005. [2] Manual-CPYY-DDLT-001/02”Manual para diseño de líneas de transmisión aereas.pdf” [3] Líneas de Transporte de Energía. Luis María Checa. Editorial. Dossat S.A. 1983.
