Todo Sobre Vibraciones en Lí eas de Alta Tensión Pablo Jiménez Pinto. Universidad de C ile, Departamento de Ingeniería Eléctric a. Taller de Proyectos II.
Abstract: las líneas de alta tensión, por causas ambientales, se ven so metidas a esfuerzos mecánicos en t dos sus componentes. Los conductores, aisladores, torres y ferreterías, se ven tensi onados en distintas direcciones cuando el viento choca contra la superficie de t dos ellos. En particular, la fuerza del vient sobre los conductores puede provocar vibraciones en estos, las cuales pueden ten r efectos mecánicos considerables. En este paper, se estudia dos tipos de vibraciones que se dan en los conductores de las líneas de al a tensión. El primer tipo de oscilaciones son las de alta frecuencia, las cuales pueden provocar fatiga y daño en las hebra s de los conductores. El segundo ti o es el conocido efecto galloping el cual es provocado por la acción del v iento y la formación de hielo en los cond uctores y, de ser excesivo, puede provo car daños importantes en una línea de AT. En ambos casos, se es tudian los orígenes físicos de las vibra iones, se muestran los efectos prácticos, y se exponen las tecnologías exist ntes para prevenir daños desde el punto d e vista del diseñador de las líneas.
I. Vibraciones de Alta Frec encia I.1 Origen Físico Supongamos un viento moderado en dirección horizontal que golpea el conductor de una línea de transmisión.
Supongamos además por si plicidad que la línea está configurada on un solo conductor por fase. Al chocar el viento c on la sección circular del conductor, el lí eas de flujo del viento se curvan haciendo que al lado contrario del choque se produzca un vórtice (como en el lavamos) al juntarse nuevamente las líneas de lujo. Ver la siguiente figura:
La posición y sentido del vórtice son muy inestables y, d bido a las perturbaciones naturales del viento, cambian de arriba abajo alternadamente, y así también cambia el sentido de giro del vórtice. Esta variación en la posición y sentido de giro del vórtice pr duce fuerzas alternas sobre el conductor, es decir, una vibración mecánica. La fuerza ocurre en la dirección vertical (si el viento es horizontal) y se transmite a lo largo de todo el conductor. La frecuencia de estas vibraciones están generalmente en el rango de 5 a 60 Hz. Las am plitudes son imperceptibles al ojo humano y se vuelven dañinas para el conductor cuando son comparables con el di ámetro del conductor.
La siguiente figura uestra la formación del vórtice al choca el viento contra un cilindro, analizado en n túnel de viento:
conductores. Por ejemplo, la siguiente figura muestra el daño cau sado por las vibraciones de alta frecuencia en dos soportes U que fueron utili ados en una línea de AT por 6 años:
I.2 Efecto en las Líneas AT Puede ocurrir que las am litudes de estas vibraciones sean conside ablemente altas, provocando que el con ductor se flecte alternamente en una direc ión y otra en el plano vertical. En los punt os en que el conductor está suportado por los aisladores, la curvatura en que s e flecta el conductor es más pronunciada y, dada la periodicidad del movimiento, las hebras del conductor se calienta, atigan, y eventualmente se cortan. Ver l siguiente figura:
Al cortarse una o varias hebras del conductor, se forman puntos cal ientes que se traducen en pérdidas óhmicas en la línea de transmisión. Además de disminuir las capacidades de tensión mecánica del conductor. Además de producirse d ños en las hebras de los conductores, s produce fatiga en las ferreterías que soportan los
III. Formas de Amortiguación y Monitoreo El diseñador de la onfiguración mecánica de la línea de e tener en consideración la prev nción de oscilaciones de alta frecuencia por los daños que se mencionaron. Para reducir la am litud de las vibraciones de alta frecuencia se utilizan amortiguadores stockbridge, como se muestra en la figura siguiente :
La ubicación ópti a de los amortiguadores es un tema abierto y no resuelto del todo. En la figu ra anterior se muestra una configuración a simétrica que busca cambiar la frecuencia de oscilación propia de los conductores. Cuando se utilizan conductor por fase, se pu separadores no rígidos o amortiguadores. Estos se
más de un den utilizan separadores aradores, a
diferencia de los separadores rígidos, permiten un movimiento relativo entre los subconductores de cada fase por medio de resortes y/o gomas. Están calculados para que se disipe energía en este movimiento relativo, lo cual se traduce en una amortiguación de las vibraciones de alta frecuencia. Un ejemplo de separador amortiguador (spacer dampers en inglés) para un haz de 3 subconductores y otro para 4 subconductores se muestran a continuación:
desempeño de los sistemas de amortiguamiento y, eventualmente, hacer modificaciones en su diseño. Un ejemplo de estos equipos se muestra en la siguiente figura:
II. Vibraciones de Baja Frecuencia II.1 Origen Físico Las vibraciones de baja frecuencia en las líneas de AT, conocidas como galloping, se produces en líneas de AT aéreas de uno o varios conductores por fase por efecto del viento y la formación de hielo sobre los conductores. Cabe señalar que es mucho más difícil predecir las vibraciones de alta frecuencia cuando se utilizan varios subconductores por fase. Para ello se proponen constantemente modelos matemáticos para predecir con mayor exactitud estas oscilaciones en los conductores. Además de hacer las consideraciones pertinentes en el diseño mecánico de las líneas, se han desarrollados equipos de monitoreo de vibraciones de conductores. Estos equipos se instalan generalmente colgando de los conductores y registran las frecuencias, amplitudes y periodicidad de las oscilaciones de los conductores. A partir de estos datos se puede evaluar el
Cuando se forma hielo sobre los conductores, se modifica el perfil transversal originalmente circular del conductor. El nuevo perfil presenta formas irregulares que suelen ser aerodinámicamente inestables. Esto provoca que ante un viento transversal constante, de cierta velocidad, se produzcan oscilaciones mecánicas de los conductores de amplitudes considerables fácilmente detectables por el ojo humano. Las frecuencias de estas oscilaciones típicamente son de entre 0.15 a 1.0 Hz. Generalmente, pero no siempre, las oscilaciones son en el plano vertical y las amplitudes pueden llegar hasta la distancia entre conductores de dos fases distintas. El viento necesario para provocar
este efecto es del orden de 7 m/s o superior. II.2 Efectos en Líneas de AT En una primera etapa, el galloping puede provocan que conductores de distintas fases se acerquen demasiado provocando corto circuitos entre dos o más fases. Esto, en el mejor de los casos, repercute en una interrupción del suministro por la operación de las protecciones de la línea. En un caso más extremo, el galloping puede ser de una amplitud tal que los esfuerzos dinámicos en las cadenas de aisladores supere la resistencia mecánica de estos provocando que uno o más aisladores se rompa. Esto repercute en una interrupción de suministro de hasta varias horas debido a lo que significa cambiar un aislador en una línea de AT. En el peor de los casos, el galloping puede provocar que las oscilaciones se transmitan a las torres con una amplitud y frecuencia tal que todo el sistema resuena mecánicamente resultando en la destrucción de una o varias estructuras. La foto que se muestra a continuación muestra la caída de varias torres de AT. La foto que se muestra a continuación da cuenta de la caída de varias torres de una línea de AT en Quebec, Canadá en 1998 producto de una tormenta de hielo y viento:
Cabe mencionar que en Chile nunca se ha producido la caída de una torre de AT por causas no intencionales, lo cual habla por sí solo de la buena calidad de la ingeniería de alta tensión nacional. II.3 Métodos para evitar el Galloping Actualmente, existen distintos métodos para reducir el galloping en las líneas de AT. La mayoría de los métodos consisten en instalar dispositivos que amortiguan las oscilaciones ya sea disipando energía (amortiguadores propiamente) o cambiando las frecuencias de oscilación propias de las líneas. Entre los amortiguadores, los más utilizados son los de tipo stockbridge como el que se muestra a continuación:
El amortiguador stockbridge está formado por una mordaza que lo sujeta al conductor. Luego tiene un eje flexible horizontal que sostiene dos masas. Los hay del tipo simétricos y asimétricos, con masas iguales y distintas, respectivamente. En general, los simétricos tienden a crear un nodo en su posición, es decir, un punto que permanece estático. Su rendimiento se hace menos efectivo a medida que la oscilación del conductor se acerca a la frecuencia propia del amortiguador. También su rendimiento se ve disminuido cuando el conductor mueve muy fácilmente el amortiguados (amortiguador muy liviano en comparación con el conductor). Los amortiguadores asimétricos tienen pesos distintos a cada lado. En
general, cuando se disponen a distancias distintas de la cadena de aisladores, tienden a hacer la respuesta en frecuencia de la línea más plana (respuesta en frecuencia mecánica). Otros mecanismos para suprimir las oscilaciones tipo galloping son los amortiguadores aerodinámicos. Estos amortiguadores funcionan generando una torsión a partir de la fuerza que el viento ejerce sobre ellos. Esta torsión hace que el conductor se gire sobre sí mismo haciendo que todo el perfil del conductor sea expuesto al viento. De esta manera, las formas irregulares del perfil del conductor producto de la formación de hielo anulan su efecto aerodinámico ya que en el largo de un vano se tiene casi todo el perfil del conductor expuesto hacia el viento. En la imagen se muestra uno de estos amortiguadores aerodinámicos para haces de dos subconductores por fase, que también sirven como espaciadores:
Salvo estos espaciadores amortiguadores aerodinámicos, en general, los espaciadores amortiguadores no rígidos que se utilizan para amortiguar las oscilaciones de alta frecuencia, no sirven para evitar el galloping ya que están diseñados para disipar energía a una frecuencia mucho mayor a las de galloping. Otros métodos más innovadores para atenuar las oscilaciones por galloping
se han desarrollado. Entre ellas se pueden mencionar otros amortiguadores aerodinámicos que se oponen al movimiento de los conductores mediante una fuerza aerodinámica que se acomoda a la dirección en que se mueve el conductor. En conclusión, el problema del galloping es un tema aun abierto.
Referencias [1] Wang, Lilien, OVERHEAD ELECTRICAL TRANSMISSION LINE GALLOPING, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 13, No. 3, July 1998 [2] [3]
http://www.arproducts.org http://www.havardengineering.com
