Apantallamiento. Apantallamiento de líneas de transmisión con cable de guarda El cable de guarda es un conductor tendido en paralelo y sobre los conductores de fase de una línea de transmisión. Se encuentra ubicado en la parte superior de la e structura, de tal forma de cubrir o apantallar los conductores de fase. Cuando se tiene una disposición de los conductores de fase en doble circuito, se requiere dos cables de guarda para proporcionar una protección eficaz a los conductores de fase, debido a descargas eléctricas directas (rayos), mientras que en la configuración vertical se requiere un solo cable de guarda. El cable de guarda generalmente está compuesto por hilos de acero galvanizado o es usual usar en las líneas de transmisión modernas el mismo calibre del conductor ACSR usado en los conductores de fase. El material y el tamaño del conductor requerido en el diseño provienen más de una consideración mecánica que eléctrica. Una reducción de la resistencia efectiva a tierra se puede lograr por medios relativamente simples y más baratos.
El cable de tierra tiene los siguientes objetivos:
Protege los conductores de fase de las descargas eléctricas directas.
Cuando un rayo cae sobre la torre, los cables de guarda a ambos lados de la torre proporcionan caminos paralelos para la descarga, con lo que la impedancia efectiva se reduce y el potencial de la parte superior de la torre es relativamente menor.
Existe acoplamiento eléctrico y magnético entre el cable de guarda y los conductores de fase, lo que ayuda a reducir las fallas de aislamiento.
El ángulo de protección del cable de guarda se define como el ángulo entre la línea vertical que pasa por el cable de guarda y la línea que une el cable de guarda y el conductor de fase más alejado de la estructura. La zona de protección brindada es un cono con vértice en el cable de guarda y con una base que termina en el conductor de fase más alejado de la estructura (ver figura siguiente). Según Lacey, un cable de guarda ofrece una protección adecuada a todos los conductores de fase que se encuentran debajo de un cuadrante circular con centro a la altura del cable de guarda y con su radio igual a la altura del cable de guarda por encima del suelo. Si se utilizan dos o más cables de guarda, la zona de protección entre los dos cables adyacentes puede ser tomado como un se mi-círculo que tiene como diámetro una línea que conecta los dos cables de guarda (Fig.). La experiencia de campo junto a las investigaciones de laboratorio, han demostrado que el ángulo de protección debe ser de casi 30 ° en zonas llanas mientras que el ángulo disminuye en zonas montañosas en un valor igual a la pendiente de la colina.
La tensión a la que una torre de transmisión se eleva cuando un rayo cae sobre la torre, es independiente de la tensión de funcionamiento del sistema y por lo tanto el diseño de línea de transmisión contra rayos para un rendimiento deseado es independiente de la tensión de funcionamiento. Los requisitos básicos para el diseño de una línea basada en trazo directo son:
Los cables de tierra utilizados para el blindaje de la línea deben ser mecánicamente fuerte y deben estar situados de manera que proporcionan protección suficiente.
No debe haber espacio suficiente entre el poder conductores sí y entre los conductores de potencia y el suelo o la estructura de la torre para una tensión de servicio particular. La resistencia pie de la torre debe ser tan baja como puede ser justificado económicamente.
Para cumplir con el primer punto, el cable de tierra, como se dijo anteriormente está hecho de alambre de acero galvanizado o alambre ACSR y el ángulo de protección decide la ubicación del cable a tierra para blindaje efectivo. El segundo factor, es decir, un espacio libre adecuado entre el conductor y la estructura de la torre se obtiene mediante el diseño de una longitud adecuada de brazo transversal tal que cuando una cadena se le da un giro de 30 ° hacia la estructura de la torre del espacio de aire entre el conductor de alimentación y estructura de la torre debe ser lo suficientemente bueno para soportar la tensión de conmutación esperada en el sistema, normalmente cuatro veces el voltaje de línea a tierra.
Los espacios entre los conductores también deben ajustarse mediante el ajuste de la holgura de modo que se evitan las descargas disruptivas mediados palmo. El tercer requisito es tener una baja resistencia a la torre de pie económicamente factible. El valor estándar de esta resistencia aceptable es de aproximadamente 10 ohmios para 66 kV y aumenta con la tensión de servicio. Para 400 kV es aprox. 80 ohmios. La resistencia a la torre de pie es el valor de la resistencia pie cuando se mide a 50 Hz. El rendimiento de la línea con respecto a un rayo depende del valor de impulso de la resistencia que es una función de la resistividad del suelo, gradiente de ruptura crítico del suelo, la longitud y el tipo de motivos o contrapesos accionados y la magnitud de la corriente de sobretensión. Si la construcción de la torre no da un valor adecuado de la resistencia de condiciones, se adoptan métodos siguientes. Una posibilidad podría ser el tratamiento químico del suelo. Este método no es posible en la práctica debido a la larga duración de las líneas y porque este método necesita control regular sobre las condiciones del suelo. No es posible comprobar las condiciones del suelo en todos y cada torre de la línea que se ejecuta en varios kilómetros. Por lo tanto, este método se utiliza más para la mejora de los terrenos de la subestación.
“High voltage engineering”, por C.L. Wadhwa
Método gráfico de Langrehr : poste de altura h
La idea es hallar gráficamente la zona de protección que brinda un cable de guarda (cable de protección) situado en la parte superior de un poste de altura h. En una estación transformadora se necesita proteger todos los elementos y equipos ante descargas atmosféricas. Para ello se utilizan hilos de guardia, situados a una altura conveniente. Se necesita determinar la zona de protección que brindan estos. En caso de que algún aparato cercano al poste se encuentre fuera del área determinada habrá que aumentar la altura del poste y con ello la altura del hilo de guardia aumentando, con ello, el espacio protegido. Sea un poste de altura h, a partir de la altura del hilo de guardia se traza una recta vertical de altura h, luego una recta horizontal a ambos lados del poste de distancia √3.h . De ahí se traza un arco de circunferencia de radio R=2h y nos dará la zona de protección que brinda el hilo de guardia.
Método de Langrehr: pórtico de altura h y ancho a
Veremos ahora, el método de L angrehr gráficamente, aplicado a un pórtico de entrada de línea, de altura h y ancho a. En una subestación transformadora, suele haber varios de estos pórticos, por lo que se hace imprescindible poder determinar la zona de protección que determinan los hilos de guardia situados en la parte superior de cada extremo del mismo. Recordemos que este procedimiento se hace para
verificar que los elementos y equipos dentro y en las adyacencias del pórtico, estén debidamente protegidos de las descargas atmosféricas. A ambos lados del pórtico, la carpa de protección se determina exactamente igual al caso de un poste de altura h, ya visto en este blog, por lo que no se comentará. El procedimiento que cambia es en la parte superior del pórtico, entre los dos hilos de guardia. Si el pórtico tiene un ancho a, se traza una perpendicular a dicho ancho en la mitad del pórtico, de longitud 2h, siendo h como dijimos, la altura de la parte superior del pórtico. Esto determ inará un punto, desde allí hacemos un arco de circunferencia que una ambos hilos de guardia, marcando de esta forma, una carpa superior de radio R2, que sumada a las carpas de radio R1=2h, nos dará la zona de protección de la estructura ante descargas atmosféricas.
Método de Langrehr: caso de dos postes de diferente altura
En esta oportunidad veremos el caso del método de Langrehr aplicado en forma gráfica al caso de dos postes de diferente altura. En este mismo blog se han explicado los dos casos precedentes, es decir poste de altura h y pórtico de altura h y ancho a. Se recomienda revisar dichos contenidos para entender esta ex plicación. Tenemos dos postes, uno de altura h y el otro de altura H, separados una cierta distancia, se desea hallar la zona de protección que brinda según Langrehr los cables de protección (Hilo de guardia) situados en la parte superior de estos dos postes. Las zonas de protección a la izquierda del poste de altura h y a la derecha del poste de altura H se determina de acuerdo con lo explicado oportunamente (ver poste de altura h). De esta forma tendremos dos arcos de circunferencia, una de radio R1 y otra de radio R2. Lo diferente sucede entre ambos postes: " Desde la cima del poste de mayor altura, en este caso el poste de altura H, se traza un arco de circunferencia de radio R2. Luego desde la cima del poste de menor altura (en este caso el poste de altura h) trazo una recta perpendicular al poste hasta cortar al arco de circunferencia de radio R2. De e sta forma obtengo un punto que me dará la ubicación de un poste virtual. Este poste no existe, pero servirá los efectos de determinar las zonas de protección entre los dos postes. Entre el poste de menor altura y el poste virtual obtengo la zona de protecc ión de acuerdo con el método del pórtico de altura h y ancho a. Finalmente entre el poste virtual y el poste de mayor altura, la zona de protección la determina el arco de circ unferencia de radio R2"
