Elementos que componen una línea de transmisión

TORRES DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

Las torres de transmisión son las estructuras que se idealizan  como un conjunto de barras o elementos finitos de sección constante y material elástico homogéneo e isótropo, nodos y apoyos o fronteras, las barras están conectadas por nodos y se apoyan en diferentes tipos de fronteras. La función básica de las torres es la de soportar los cables conductores de energía, así como el cable de guarda que es el que protege los conductores contra descargas atmosféricas y en la actualidad también nos sirve para la transmisión de voz y datos por medio de la fibra óptica. 

Existen diferentes tipos de torres de acuerdo a la función que desempeñan en la línea de transmisión:

• Suspensión: Soportan el peso de los cables, cadenas de aisladores y herrajes, además del viento transversal, siendo las tensiones longitudinales iguales a acero, siempre se localizan de forma tangencial. 
• Deflexión: Se colocan en los puntos de inflexión a lo largo de la trayectoria. 
• Fin de línea: Se colocan al inicio y final de la línea de transmisión, además en tangentes largas mayores a 5 km.

Las torres se componen de:

• Cable de guarda
• Aisladores, herrajes y cables
• Crucetas
• Cuerpo recto
• Cuerpo piramidal
• Cerramientos
• Extensiones (patas)
• Uñas o cleats

En el siguiente apartado de esta entrada (Componentes y características de los elementos de una línea de transmisión) se puede ver las especificaciones de cada una de las partes anteriormente mencionadas. En el siguiente vídeo podrá observar algunas de las torres usadas:

Servidumbres

En la CREG 025 de 1995 se ven los aspectos relacionados a la servidumbre de una línea de transmisión. Los siguientes aspectos se deben tener en cuenta:

• Se debe disponer de una ancho mínimo de servidumbre de 64 metros para líneas a 500kV y 32 metros para líneas de 220kV. Son embargo, estas dimensiones pueden ser ajustadas con base en el tipo de suelo, vegetación, tipo de predio(rural o urbano).
• El otorgamiento legal de todas las servidumbres para la construcción de energía sobre el corredor definido para la nueva conexión.
• El ancho de la faja de servidumbre requerida será establecido por el propietario de la línea, ajustado con base a los niveles de campo electromagnético y los niveles de  radio interferencia definidos en la norma.
• Para más información en el lado inferior del blog se pueden ver documentos de interés  donde estará la norma en pfd. 

COMPONENTES Y CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN

Una línea de transmisión esta compuesta por diferentes elementos que en conjunto ayudan a el buen funcionamiento de la red. Los principales componentes y conceptos serán descritos en la presentación que puedes ver a continuación. 

CONDUCTORES EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

En los primeros tiempos de la transmisión de potencia electica, los conductores eran generalmente de cobre, pero los conductores de aluminio han reemplazado completamente a los de cobre debido al menor costo y al peso ligero de un conductor de aluminio comparado con uno de la misma resistencia. El hecho de que un conductor de aluminio tenga un mayor diámetro que un conductor de cobre de la misma resistencia es también una ventaja. Con un mayor diámetro de las líneas de flujo eléctrico originadas sobre el conductor estarán más apartadas en la superficie de este para una misma tensión. Esto significa un menor gradiente de tensión en la superficie del conductor y menor tendencia a ionizar el aire a su alrededor. La ionización produce un efecto indeseable llamado corona.

Los símbolos que identifican diferentes tipos de conductores de aluminio son los siguientes:

• ACC         conductor de aluminio.
• AAAC      conductor de aluminio con aleación.
• ACSR       conductor de aluminio con refuerzo de acero.
• ACAR       conductor de aluminio con refuerzo de aleación.

Las AAAC tienen mayor resistencia a la tensión que los conductores eléctricos de aluminio de tipo ordinario. ACSR consiste de un núcleo central de alambres de acero rodeado por capas de alambre de aluminio. ACAR tiene un núcleo central de aluminio de alta resistencia rodeado por capas de conductores eléctricos de aluminio tipo especial. Para más información acerca de estos conductores se puede consultar en http://www.centelsa.com.co/index.php?lp=0012.

Tipos de conductores:

• Conductores homogéneos de aluminio
• Conductores homogéneos aleación de aluminio
• Conductores mixtos de aluminio acero

Características mecánicas:

Los valores que caracterizan el comportamiento mecánico del cable son el módulo de elasticidad (ε) y el coeficiente de dilatación lineal (α), este último al disminuir la temperatura influye reduciendo la longitud del conductor y aumentando el tiro.

En cables mixtos los valores equivalentes a un conductor ideal homogéneo:

ε_cable = (S_acero ε_acero + S_aluminio ε_aluminio) / (S_acero + S_aluminio)

α_cable= (α_acero S_acero ε_acero + α_acero S_aluminio ε_aluminio)/( S_acero ε_acero + S_aluminio ε_aluminio)

El valor de la carga de rotura nominal de un conductor mixto aluminio acero está dada por:

R_cable = (R_acero + 4.8) S_acero + (R_aluminio + 0.98) S_aluminio

Selección del tipo de conductor:

Las características expuestas anteriormente permiten extraer conclusiones que ayudan a seleccionar el tipo de conductor.

Los conductores homogéneos de aluminio por sus bajas características mecánicas tienen el campo de aplicación fuertemente limitado, ya que vanos relativamente grandes llevarían a flechas importantes que obligarán a aumentar la altura de los soportes, como también fijar distancias notables entre las fases originando cabezales de grandes dimensiones, este tipo de conductor se utiliza entonces para los vanos de las estaciones eléctricas o en las líneas con vanos relativamente cortos.

Los conductores de aleación de aluminio, o de aluminio acero, con características mecánicas elevadas, permiten cuando las trazas son rectilíneas hacer trabajar a los conductores con los máximos esfuerzos que le son permitidos. Esto da por resultado grandes vanos, con el consiguiente ahorro de torres, aisladores y fundaciones.

Para el caso de trazas rectilíneas, a igualdad de tensión mecánica de tendido, se tiene menor flecha para igual vano, y en consecuencia menor altura de las torres de suspensión.

Una desventaja que debe señalarse para la aleación de aluminio es que por ser sus características mecánicas consecuencia de tratamientos térmicos, el cable es sensible a las altas temperaturas (no debe superarse el límite de 120°C) por lo que debe prestarse especial atención al verificar la sección para las sobrecorrientes y tener particularmente en cuenta la influencia del cortocircuito.

Selección con criterio eléctrico:

La elección del conductor es variable con los parámetros de la línea, en particular la tensión, la energía a transportar, entre otros, debiendo tenerse en cuenta el costo con que incremente la energía que la línea transmite. 

Como el conductor por sus características eléctricas y mecánicas, influye en el diseño de las torres, y su ubicación en el terreno, puede deducirse que existe una familia de conductores que satisfacen técnicamente la relación existente entre torre y conductor, pero solo uno es el más apto para satisfacer las especificaciones. El objetivo principal de escoger un conductor es de minimizar costos y pérdidas de la línea teniendo en cuenta su construcción y funcionamiento durante un periodo dado.

Las pérdidas de energía son debidas al efecto Joule, y al efecto Corona, ligados respectivamente a la corriente y a la tensión aplicada. Ambas perdidas se reducen aumentando el diámetro del conductor, que implica un aumento de sección, e incrementos en los costos de las instalaciones no es entonces posible reducir perdidas y simultáneamente reducir el costo de la obra.

Además no debe olvidarse de respetar los límites de temperatura con la corriente de régimen, y con la máxima solicitación de cortocircuito, no se debe alcanzar una temperatura tal que provoque una disminución no admisible de la resistencia mecánica del conductor. Tomado de: http://www.ing.unlp.edu.ar/sispot/Libros%202007/libros/le/le-01/le-01.htm.

Análisis de cargabilidad en diseño de líneas de transmisión :

La capacidad térmica de una conductor aéreo desnudo se determina a partir de la ecuación de balances de calor en donde se consideran las ganancias asociadas principalmente al sol y al efecto Joule y las pérdidas de calor por convección y radiación en el conductor.

Existen varios métodos para calcular este balance de calor, el principal es el IEEE Std-738 de 2006: “Standard for Calculating the CurrentTemperature of Bare Overhead Conductors” y el CIGRE TB 207 "Thermal Behaviour of Overhead Conductors". Para mayor información dirigirse a http://www.bdigital.unal.edu.co/4169/1/SandraMilenaT%C3%A9llezGuti%C3%A9rrez.2011.pdf.

Comportamiento térmico en estado estacionario:

De acuerdo al modelo planteado en el IEEE Standard 738/2006 , el comportamiento térmico puede conocerse a través de un balance de calor del conductor que incluye las ganancias por efecto Joule y por radiación solar, y también las pérdidas por convección y por radiación en el conductor. En estado estable, si se conoce la temperatura de operación del conductor, sus características eléctricas y mecánicas suministradas por el fabricante y las condiciones medioambientales, entonces puede calcularse la capacidad térmica de la línea de transmisión para esas condiciones de operación.

Es importante aclarar que en este método no se considera la influencia de los siguientes

factores sobre la temperatura del conductor:

• El efecto Corona caliente, pero éste es significativo sólo en casos en los que el gradiente de voltaje en la superficie del conductor es alto; esta condición solamente se presenta durante lluvias fuertes y vientos altos que ocasionan que aumente la evaporación y la convección.

• La calefacción magnética, que puede incrementar en menos del 2% el valor de la resistencia del conductor; este porcentaje depende del número de capas del conductor y la tasa de corriente a la que sea evaluado. 

Dónde:

• mC_p; es la capacitancia térmica del conductor [J/m°C]: Se define como el producto del calor específico y la masa por unidad de longitud.
• RT_C; es la resistencia por unidad de longitud del conductor, medida a la temperaturadel conductor Tc , se mide en [Ω /m].
• I es la corriente que pasa por el conductor [A].
• qs es la ganancia de calor por radiación solar [W/m].
• qc es la pérdida de calor por convección [W/m].
• qr es la pérdida de calor por radiación [W/m].