1.1  LÍNEAS ELÉCTRICAS

Una línea de transmisión  eléctrica es básicamente el medio físico mediante el cual se realiza la transmisión y distribución de la energía eléctrica, está constituida por:  conductores, estructuras de soporte, aisladores,  accesorios de ajustes entre aisladores y estructuras de soporte, y cables de guarda (usados en líneas de alta tensión, para protegerlas de descargas atmosféricas); es de suma importancia el estudio de las características eléctricas en los conductores de las lineas, estas abarcan los parámetros impedancia y admitancia, la primera esta conformada por la resistencia y la inductancia uniformemente distribuidas a lo largo de la línea y se representa como un elemento en serie. La segunda esta integrada por la susceptancia y la conductancia y en este caso se representa como un elemento en paralelo, la conductancia representa las corrientes de fuga entre los conductores y los aisladores, esta es prácticamente despreciable por lo que no es considerado un parámetro influyente,  las características tanto de los elementos físicos como eléctricos se explicaran  a continuación.

             

1.1.1  CLASIFICACIÓN DE LAS LÍNEAS ELÉCTRICAS

Las líneas eléctricas de  se pueden clasificar por su función en:

a)     Líneas de transmisión.

Son aquellas que se utilizan para transportar la energía eléctrica a grandes distancias, a niveles de voltajes superiores a los 34.500v. Estas constituyen el eslabón de unión entre las centrales generadoras y las redes de distribución. Para  la construcción de estas  líneas se utilizan casi exclusivamente conductores metálicos desnudos, que se obtienen mediante cableado de hilos metálicos (alambres) alrededor de un hilo central.

b)      Líneas de distribución.

Son aquellas que van desde las subestaciones hasta los centros de consumo como son las industrias, domicilios y alumbrado público, los niveles de tensión utilizados son por debajo de los 34.500v. Los conductores en media tensión siguen siendo desnudos, pero en baja tensión se usan conductores aislados, para mayor seguridad en zonas urbanas.

 

1.1.2 COMPONENTES DE UN LÍNEA AÉREA

Las líneas aéreas están constituidas tanto por el elemento conductor, usualmente cables de cobre o aluminio, como por sus elementos de soporte, las Torres de alta tensión, y los aisladores

a)      Conductores :

 

En la construcción de líneas aéreas de transmisión de energía eléctrica, se utilizan casi exclusivamente conductores trenzados, los cuales son cables formados por alambres, en capas alternadas, enrolladas en sentidos opuestos. Esta disposición alternada de las capas evita el desenrollado y hace que el radio externo de una capa coincida con el interior de la siguiente. El trenzado proporciona flexibilidad con grandes secciones transversales

 

El conductor trenzado puede realizarse con hilos del mismo metal, o de distintos metales, según cuales sean las características mecánicas y eléctricas deseadas. Si los hilos son del mismo diámetro, la formación obedece a la siguiente ley:

nh = 3 c² + 3 c + 1

siendo: nh = número de hilos ;  c = número de capas

Por lo tanto es común encontrar formaciones de 7, 19, 37, 61, 91 hilos, respectivamente 1 a 5 capas

Los metales utilizados en la construcción de líneas aéreas deben poseer tres características principales: baja resistencia eléctrica, elevada resistencia mecánica, de manera de ofrecer  resistencia a los esfuerzos permanentes o accidentales y bajo costo.

Los metales que satisfacen estas condiciones son relativamente escasos, los cuales son: cobre,  aluminio, aleación de aluminio y  combinación de metales (aluminio acero) Conviene para cada caso particular investigar el metal más ventajoso, teniendo en cuenta las observaciones generales que siguen.

Cobre

El tipo de cobre que se utiliza en la fabricación de conductores es cobre electrolítico de alta pureza. Se obtiene electrolíticamente, por refinado: un electrodo de cobre hace de cátodo y un electrodo de cobre con impurezas hace de ánodo; el cobre electrolítico se deposita cobre el cátodo. Las características del cobre electrolítico coinciden, casi exactamente con las del cobre puro, ya que el contenido mínimo de cobre ha de ser de 99.9 %.Este tipo de cobre se presenta  en los siguientes grados de dureza o temple:

 

• Cobre recocido. El cobre recocido llamado también cobre blando tiene una resistencia a la rotura de 22 a 28 [Kg/mm²]. El cobre recocido a 20º C de temperatura ha sido adoptado como cobre-tipo para las transacciones comerciales en todo el mundo. El cobre recocido es dúctil, flexible  y se utiliza, sobre todo, para la fabricación de conductores eléctricos que no hayan de estar sometidos a grandes esfuerzos mecánicos.

 

• Cobre semiduro. Tiene una resistencia a la rotura de 28 a 34 [Kg. /mm²] y no es tan dúctil ni maleable como el cobre recocido.

 

• Cobre duro. El cobre duro trabajado, en frió tiene, adquiere dureza y resistencia mecánica, aunque a expensas de su ductilidad y maleabilidad. El cobre duro tiene una resistencia a la rotura de 35 a 47 [Kg/mm²] y sus buenas propiedades mecánicas se emplea para conductores de líneas eléctricas exteriores, donde han de estar sometidos a esfuerzos mecánicos elevados; este tipo de cobre no es muy empleado en instalaciones interiores, debido a que se manipula más difícilmente, que el cobre recocido.

 

Aleaciones de Cobre

 

Los que son solubles en cantidad moderada en una solución sólida de cobre, telas como el manganeso, el níquel, el zinc, el estaño, el aluminio, etc., generalmente endurecen el cobre y disminuyen su ductilidad, pero mejoran sus condiciones de laminado y de trabajo mecánico.

De una forma general se puede decir que las aleaciones de cobre mejoran algunas de las propiedades mecánicas o térmicas del cobre puro, pero a excepción de las propiedades eléctricas. Las aleaciones de cobre las utilizadas  son las siguientes:

 

·        Latones

Los latones son aleaciones de cobre y zinc con un 50 % de este último metal como máximo, ya que a partir de dicho porcentaje, las aleaciones resultan frágiles. La conductividad eléctrica es relativamente baja, por lo que su empleo  no es tan extendido

 

·        Bronces

Los bronces son aleaciones de cobre y estaño. Pero actualmente las aleaciones dejaron de ser binarias para pasar a ser ternarias, introduciendo un tercer elemento, además del cobre y el estaño, como fósforo, silicio, manganeso, zinc, cadmio, aluminio; según el tercer elemento es el nombre del bronce, por ejemplo: bronce fosforoso, bronce silicioso, etc.

 

Cuando un conductor esta destinado a líneas aéreas, el mismo debe ser capaz de satisfacer las exigencias mecánicas a las que estará sometido una vez tendido. Las mismas son del resultado de la acción de su propio peso y de los agentes mecánicos exteriores (viento, hielo, etc.). De ahí que el conocimiento de su carga de rotura total a la tracción sea imprescindible. Con el objeto de aumentar en todo lo posible la resistencia especifica  a la tracción, el material deberá estar al estado puro, o sea su característica metalográfica básica serán los granos pequeños. Ello como es lógico, acarrea la disminución de su conductividad eléctrica, la cual desciende más cuanto mayor sea el grado de dureza obtenido. En la práctica se han definido sólo los estados extremos, y es así que se utilizan dos tipos de cobres, según sea destinado a líneas aéreas (cobre duro), o a usos no aéreos (cobre recocido, en el que es crítico el conocimiento de su conductividad.)

 Pese a la menor resistencia eléctrica y superiores aptitudes mecánicas el cobre ha dejado de ser utilizado en la construcción de líneas aéreas, esto es especialmente notado en alta y muy alta tensión.

Aluminio

El aluminio es el material que se ha impuesto como conductor de líneas aéreas, debido a su menor costo y ligereza con respecto a los de cobre para un mismo valor de resistencia. También es una ventaja el hecho de que el conductor de aluminio tenga un mayor diámetro que el de cobre con la misma resistencia. Con un diámetro mayor, las líneas de flujo eléctrico que se originan en el conductor, se encuentran más separadas en su  superficie para el mismo voltaje. Esto significa que hay un menor gradiente de voltaje en la superficie del conductor y una menor tendencia a ionizar el aire que rodea al conductor. La ionización o descargas eléctricas debido a la ruptura del dieléctrico del aire  producen un fenómeno  indeseable llamado Efecto Corona.

Los conductores en base a aluminio utilizados en la construcción de líneas aéreas se presentan en las siguientes formas:

 

Conductor homogéneo de aluminio puro (AAC)

El aluminio es, después del cobre, el metal industrial de mayor conductividad eléctrica. Esta se reduce muy rápidamente con la presencia de impurezas en el metal, por lo tanto para la fabricación de conductores se utilizan metales con un título no inferior al 99.7%, condición esta que también asegura resistencia y protección de la corrosión. Los conductores de aluminio 1350 de se clasifican de la siguiente forma:    

• Clase AA: Conductores normalmente usados en líneas de transmisión aéreas.
• Clase A: Conductores a ser recubiertos por materiales resistentes al clima y conductores desnudos con alta flexibilidad.
• Clase B: Conductores a ser aislados con diversos materiales y conductores que requieren mayor flexibilidad.
• Clase C: Conductores que requieren la más alta flexibilidad.

Figura 1.3 Conductores homogéneos de aluminio

 

Conductor homogéneo de aleación de aluminio (AAAC)

Se han puesto a punto aleaciones especiales para conductores eléctricos. Contienen pequeñas cantidades de silicio y magnesio (0.5 0.6 % aproximadamente) y gracias a una combinación de tratamientos térmicos y mecánicos adquieren una carga de ruptura que duplica la del aluminio (haciéndolos comparables al aluminio con alma de acero), perdiendo solamente un 15 % de conductividad (respecto del metal puro).

Utilizado normalmente para distribución eléctrica primaria y secundaria. Posee una alta relación resistencia/peso .La aleación de aluminio del cable AAAC ofrece mayor resistencia a la corrosión que el cable ACSR. Una de las aleaciones de aluminios más conocida es el ARVIDAL.

Conductor mixtos aluminio con alma de acero (ACSR)

Estos cables se componen de un alma de acero galvanizado recubierto de una o varias capas de alambres de aluminio puro. El alma de acero asigna solamente resistencia mecánica del cable, y no es tenida en cuenta en el cálculo eléctrico del conductor.

Figura 1.4  Sección transversal de un conductor con refuerzo de acero con 7 hilos de acero y 24 de aluminio

 

En la Figura 1.4 se muestra la sección transversal de un cable de aluminio con refuerzo de acero (ACSR). El conductor que se muestra tiene 7 hilos de acero que forman el núcleo central alrededor del cual hay dos capas de hilos de aluminio. Hay 24 hilos de aluminio en las capas externas. El conductor trenzado se especifica como 24 A1/7 St, o simplemente 24/7. Se obtienen diferentes esfuerzos de tensión, capacidades de corrientes y tamaños de conductores al usar diferentes combinaciones de acero y aluminio. Otros tipos de ASCR son:

ACSR/AW - Conductor de Aluminio con Refuerzo de Acero Aluminizado: El conductor ACSR/AW ofrece las mismas características de fortaleza del ACSR pero la corriente máxima que puede soportar el cable y su resistencia a la corrosión son mayores debido al aluminizado del núcleo de acero. Provee mayor protección en lugares donde las condiciones corrosivas del ambiente son severas.

ACSR/TW - Conductor de Aluminio con Refuerzo de Acero: Las estructuras a utilizar deben ser evaluadas cuidadosamente debido al gran peso de este conductor.

ACSR/AE  - Conductor de Aluminio con Refuerzo de Acero: Como su nombre lo indica, el ACSR/AE (Air Expanded) ACSR es un conductor cuyo diámetro ha sido incrementado o "expandido" por espacios de aire entre las capas exteriores de aluminio y el núcleo de acero. 

Figura 1.5 Conductor ASCR/AE

Conductores De Aluminio Con Alma De Aleación  (ACAR)

 

EL ACAR tiene un núcleo central de aluminio de alta resistencia rodeado por capas de conductores eléctricos de aluminio.

Independientemente de las características eléctricas y mecánicas que conducen a la elección de un tipo de conductor u otro, no se deben perder nunca de vista los principios básicos de uso de conductores de aluminio:

1) Los conductores de aluminio se utilizan siempre en forma de conductores trenzados, debido a que poseen mejor resistencia a las vibraciones que los conductores de un único alambre.

2) Expuestos a la intemperie se recubren rápidamente de una capa protectora de óxido insoluble y que protege al conductor contra la acción de los agentes exteriores. Pese a esto deberá prestarse atención cuando hay ciertos materiales en suspensión en la atmósfera, zonas de caleras, cementeras, etc. exigen seleccionar una aleación adecuada.

3) Ciertos suelos naturales atacan al aluminio en distintas formas, por lo que no es aconsejable utilizarlo para la puesta a tierra de las torres, al menos cuando se ignoran las reacciones que el suelo puede producir.

4) El aire marino tiene una acción de ataque muy lenta sobre el aluminio, de todos modos numerosas líneas construidas en la vecindad del mar han demostrado óptimo comportamiento, en estos casos se deben aumentar las precauciones en lo que respecta al acierto en la elección de la aleación y su buen estado superficial, en general el ataque será más lento cuanto menos defectos superficiales existan. Los defectos superficiales son punto de partida de ataques locales que pueden producir daños importantes, si no se presentan entalladuras o rebabas (que pueden ser causadas por roces durante el montaje) los hilos serán menos sensibles al ataque exterior.

5) El aluminio es electronegativo en relación a la mayoría de los metales que se utilizan en las construcciones de líneas, y por esto se debe tener especial cuidado en las uniones.

6) La temperatura de fusión del aluminio es 660 grados C (mientras el cobre funde a 1083 grados C) por lo tanto los conductores de aluminio son más sensibles a los arcos eléctricos.

A su vez los conductores de aleación de aluminio presentan algunas ventajas respecto de los de aluminio acero, a saber:

Mayor dureza superficial, lo que explica la más baja probabilidad de daños superficiales durante las operaciones de tendido, particularidad muy apreciada en las líneas de muy alta tensión, ya que como consecuencia se tendrán menos pérdidas por Efecto Corona, y menor perturbación radioeléctrica. Menor peso, por lo que es más económico.

            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 grados C) por lo que debe prestarse especial atención al verificar la sección para las sobre corrientes y tener particularmente en cuenta la influencia del cortocircuito.

 Para concluir, el conductor es el componente que justifica la existencia de la línea, por lo tanto toda la obra se hace para sostenerlo, y entonces es valida la afirmación de que su elección acertada es la decisión más importante en la fase de proyecto de una línea.

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. En la siguiente tabla se puede apreciar las características físicas y eléctricas tanto del cobre como del aluminio

Tabla 1.1 Características del cobre y el aluminio

 

 

 

 

Tabla 1.2 relación  de características entre cobre y aluminio

 

b)      Aisladores:

 

Sirven de apoyo y soporte a los conductores, al mismo tiempo que los mantienen aislados de tierra. El material más utilizado para los aisladores es la porcelana, aunque también se emplea el vidrio templado y materiales sintéticos.

 

Bajo el punto de vista eléctrico, los aislantes deben presentar mucha resistencia ante las corrientes de fuga superficiales y tener suficiente espesor para evitar la perforación ante el fuerte gradiente de tensión que deben soportar. Para aumentar la resistencia al contacto, se moldean en forma acampanada

 

Bajo el punto de vista mecánico, deben ser suficientemente robustos para resistir los esfuerzos debidos al peso de los conductores. Existen 2 tipos principales:

 

 

 

Aisladores Fijos:

Unidos al soporte por un herraje fijo y no pueden, por consiguiente, cambiar normalmente de posición después de su montaje.

 

Figura 1.6 Aisladores fijos

 

 

Aisladores en cadenas

Constituidos por un número variable de elementos según la tensión de servicio; formando una cadena móvil alrededor de su punto de unión al soporte.  Éste es el tipo de aislador más empleado en media y en alta tensión.

 

Figura 1.7 Aisladores en cadena

Existen diversos tipos de aisladores de cadena, que a continuación se detallan:

Caperuza-vástago, este aislador se compone de una campana de porcelana o vidrio templado, en forma de disco y que lleva en su parte inferior algunas ondulaciones. En la parte superior de la campana está empotrada una caperuza de fundición o acero, y en su parte inferior en un hueco bastante reducido, lleva un vástago sellado al aislador. La figura 1.8 muestra la disposición de los aisladores en una cadena de suspensión o en una cadena de amarre.

Figura 1.8 Aisladores en cadena de suspensión y aisladores en cadena de amarre

 

Campana (discos), este elemento está constituido por un núcleo cilíndrico de porcelana de diámetro comprendido entre 60 y 85 mm., y provisto de dos faldas anchas. La unión de los aisladores campana entre sí se hace con un pequeño vástago cilíndrico terminado en dos rótulas (figura 1.9). La diferencia esencial entre el aislador campana y el elemento caperuza-vástago, reside en el hecho de que el primero es rigurosamente imperforable en servicio, mientras que el segundo puede, en ciertas circunstancias, perforarse antes de ser contorneado, especialmente por la acción simultánea de esfuerzos mecánicos y acciones eléctricas.

Figura 1.9 Aislador tipo campana

 

 

Figura 1.10 Elemento de la cadena de aisladores

 

            La sujeción del aislador al poste se realiza por medio de herrajes .En la figura 1.11 se muestran los diferentes tipos de herrajes

Figura 1.11 Herrajes

 

 

c)      Estructuras Soportes

 

Estas deben mantener los conductores a suficiente altura sobre tierra y distanciados entre sí.  En la parte más alta de la torre, se ponen conductores desnudos, llamados de guarda, que sirven para apantallar la línea e interceptar los rayos antes que alcancen los  conductores activos situados debajo. Estos no conducen corriente alguna, por lo que normalmente se hacen de acero y se conectan solidariamente a tierra en cada torre. Las torres se conectan solidariamente a tierra, tomándose grandes precauciones para asegurar que la resistencia a tierra sea baja.

 Las estructuras de una línea pueden ser clasificadas en relación a su función, la forma de resistir los esfuerzos, y los materiales constructivos.

Por su función las estructuras se clasifican en:

Estructuras de suspensión.

Los conductores están suspendidos mediante cadenas de aisladores, que cuelgan de las ménsulas de las torres. Resisten las cargas verticales de todos los conductores (también los cables de guarda), y la acción del viento transversal a la línea, tanto sobre conductores como sobre la misma torre. No están diseñadas para soportar esfuerzos laterales debidos al tiro de los conductores, por lo que se instalan en tramos rectos.

Figura 1.12 Torre de suspensión de doble terna

 

Estructuras de retención

 Son para los lugares en donde  la línea debe soportar esfuerzos laterales, producto del cambio de dirección o finales de línea básicamente se distinguen tres tipo:

·                    Terminal.

La disposición de los conductores es perpendicular a las ménsulas, la torre se dimensional para soportar fundamentalmente el tiro de todos los conductores de un solo lado, y en general es la estructura más pesada de la línea.

·                    Angular.

            Se ubica en los vértices cuando hay cambio de dirección de la línea, la carga más importante que soporta es la componente del tiro (debida al ángulo) de todos los conductores.

·        Rompetramos.

            Algunas normas de cálculo sugieren el uso de estas estructuras con la finalidad básica de limitar la caída en cascada (dominó) de las estructuras de suspensión, y para facilitar el tendido cuando los tramos rectilíneos son muy largos. Cuando el diseño de las suspensiones se hace con criterio de evitar la caída en cascada el uso de estructuras rompetramo se hace innecesario.

Figura 1.13 Torre de retención angular

Respecto de los esfuerzos, puede decirse que las estructuras de la línea resisten en general tres tipos de esfuerzos en condiciones normales:

Cargas verticales debidas al peso propio, conductores, aisladores.

Cargas transversales debidas al viento sobre estructuras y conductores.

Cargas longitudinales debidas al tiro de los conductores.

Los materiales empleados usualmente para realizar la estructura son: madera, hormigón, acero y en zonas de difícil acceso en algunos casos se emplea el aluminio.