CONDUCTORES ELECTRICOS PARA LINEAS AEREAS DE ALTA TENSION
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA ELECTROTECNIA
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I.
FUNDAMENTOS TEORICOS. 1.1. Conductores para líneas transmisión.
Se llama línea aérea la instalación cuya finalidad es la transmisión aérea de energía eléctrica, esto se realiza con elementos de conducción y elementos de soporte. Gráfico N1: Diagrama de posición de las líneas de transmisión de alta tensión.
Adaptado De: Resnick, Halliday, Krane, "Física" Editorial: CECSA, Cuarta edición
1.2. Metales conductores.
Los metales utilizados en la construcción de líneas aéreas deben poseer tres características principales: 1. Presentar una baja resistencia eléctrica, y bajas pérdidas Joule en consecuencia. 2. presentar elevada resistencia mecánica, de manera de ofrecer una elevada resistencia a los esfuerzos permanentes o accidentales. 3. costo limitado. Los metales que satisfacen estas condiciones son relativamente escasos, entre ellos podemos mencionar a:
cobre aluminio aleación de aluminio combinación de metales (aluminio acero) 2
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1.3. El aluminio.
Los conductores en base a aluminio utilizados en la construcción de líneas aéreas se presentan en las siguientes formas:
cables homogéneos de aluminio puro (AAC) cables homogéneos de aleación de aluminio (AAAC) cables mixtos aluminio acero (ACSR) cables mixtos aleación de aluminio acero cables aislados con neutro portante (cables pre ensamblados) Grafico N2: Aluminio como conductor de alta Tensión.
1.4. Tipos de conductores.
Haremos ahora algunos comentarios ligados al material del conductor. 1.4.1. Conductores HOMOGENEOS de ALUMINIO. 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. Lo mismo ocurre para el cobre, 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. (M, 1998) 1.4.2. Conductores HOMOGENEOS de ALEACION de ALUMINIO. Se han puesto a punto aleaciones especiales para conductores eléctricos. Contienen pequeñas cantidades de silicio y magnesio (0.5 0.6 % 3
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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). (Trejos, 2010) 1.4.3. Conductores MIXTOS de ALUMINIO ACERO. 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. También se realizan conductores mixtos de aleación de aluminio acero, lógicamente tienen características mecánicas superiores, y se utilizan para vanos muy grandes o para zonas de montaña con importantes sobrecargas de hielo. 1.5.
Características Físicas y Mecánicas de los Conductores
Todo conductor debe poseer suficiente resistencia mecánica para soportar, sin romperse o deformarse permanentemente los esfuerzos aplicados al mismo, en la explotación (servicio) normal, y aun en las condiciones anormales, pero previsibles en el diseño. En el caso de las líneas de transmisión aéreas, los esfuerzos mecánicos normales son: el peso del conductor y el hielo escarcha o nieve, que pudiese depositarse en zonas frías, el efecto del viento a una velocidad límite, etc. Los esfuerzos anormales comprenden: la presión de escaleras apoyadas contra las líneas, la suspensión de personal en la misma, el esfuerzo por huracanes, la presión de árboles o ramaje, la tensión debida a movilidad de los apoyos, con motivo a la ruptura de dos o más cables o la caída de una torre.
1.6. 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, este tipo de conductor se utiliza entonces para los vanos de las estaciones eléctricas o en las líneas con vanos relativamente cortos. 4
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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 grande vano, con el consiguiente ahorro de torres, aislador, Morseteria y fundaciones. A su vez los conductores de aleación de aluminio presentan algunas ventajas respecto de los de aluminio acero, como: * 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 perdidas corona, y menor perturbación radioeléctrica. * Menor peso, el ser más liviano, para flecha y vanos iguales da como consecuencia a igual altura de torres menor peso en las torres terminales y angulares, por la menor solicitación mecánica, esto influye en la economía especialmente cuando la traza es quebrada. Tabla 1- Temperatura límite para cortocircuito
Material
Temperatura en gr. C
Cobre
170
Aluminio
130
Aleacion de aluminio
160
Acero
200
Aluminio acero
160
Adaptado por: Tiussow, M.S Milton. Fundamentos de electricidad. Ed Mc Graw Hill 1.7. Perdidas por Efecto Corona.
Estas dependen principalmente de la diferencia de potencial entre los conductores y tierra, más exactamente del gradiente de potencial en la superficie de los conductores y de las condiciones climáticas a lo largo de la línea. Las perdidas pueden ser nulas con tiempo bueno y alcanzar valores elevados con lluvias intensas Tabla 2 - diámetros mínimos de conductores 5
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Formación del haz
dmin (mm) / Un
145 kV
245 kV
362 kV
550 kV
Conductor simple
0.1 Un
14.5
24.5
36.2
55.0
Conductor doble
0.076 Un
11.0
18.6
27.5
41.8
Haz triple
0.05 Un
7.3
12.3
18.1
27.5
Haz cuádruple
0.042 Un
6.1
10.3
15.2
23.1
Figura 1. Algunos tipos de Cable.
a) Un solo conductor sólido, conductor redondo-compacto
(b) Tres conductores trenzados, conductores de sector compacto
c) Tres conductores apantallados, conductores de sector compacto
(d) Un solo conductor con relleno de aceite
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(e) Tres conductores con rellenos de aceite
Adaptado De: TERAN, Morales Alejandro, "Manual de Electricidad Aplicada", UPIICSA – IPN, Ingeniería Industrial, Academia de Laboratorio de e lectricidad y Control
Figura 2. Corte Transversal de un Cable de Potencia de 138 kV
Adaptado De: JACOBO, Moreno Guillermo, "Electrónica Educativa 3" Segunda Edición Figura 3. Corte Transversal de un Cable de Potencia de 600V
Adaptado De: JACOBO, Moreno Guillermo, "Electrónica Educativa 3" Segunda Edición
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Tabla 2. Calibres Mínimos en Milímetros cuadrados según la Distancia entre Apoyos
Material
30 m
45m
60m
90m
Cobre Estirado en Frio
8
13
21
33
Cobre Recocido
13
21
42
No
Aluminio Duro
42
53
Aluminio Reforzado
13
21
Adaptado de: TERAN, Morales Alejandro, "Manual de Electricidad Aplicada", UPIICSA – IPN, Ingeniería Industrial, Academia de Laboratorio de e lectricidad y Control
El alambre de acero recubierto de cobre o aluminio es un gran avance, que interesa a las compañías eléctricas, por ser el acero barato, fuerte y accesible, pero presentando como desventajas, su poco duración y conductividad. Para dar al alambre de acero la conductividad y duración necesaria, se recubre con una capa de cobre bien adherida. La conductividad puede aumentarse haciendo más gruesa la capa de cobre o aluminio. Figura 7. Vista de la Sección Transversal de un Conductor Cooperweld
Adaptado De: JACOBO, Moreno Guillermo, "Electrónica Educativa 3" Segunda Edición
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1.8.
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Ejercicios Para un determinado vano de una línea eléctrica aérea AT situado en la zona B se observa que un día en que la temperatura era de - 15 0C y existía sobre los cables un manguito de hielo equivalente a una/m, la tensión unitaria era de 12 Kg/mm 2. 1.- Se desea saber a que tensión debía efectuarse el tendido si la temperatura en el momento de la operación fue de 30 0C y no existía sobrecarga.
2.- Asimismo se quiere conocer la tensión a que estará sometido el cable cuando se den las condiciones más desfavorables, así como su flecha.
DATOS:
Sección del conductor: S = 54'6 mm
2
Peso del conductor: p 0 = 0'19 kg/m. Coeficiente de dilatación lineal: " = 18.8 x 10-6 ºC-1. Módulo de elasticidad: E = 8.500 kg/mm 2. Longitud del vano: a = 100 m. Carga de rotura: 1673 Kg. Diámetro aparente del cable: 9'45 mm.
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Bibliografía:
1.- Bueche, Frederick J, "Física general" Editorial: McGraw-Hill Serie SCHAUM, Segunda edición, México D.F., 1989, 392 P.p. 2.- Gussow, M.S. Milton. Teoría y problemas de fundamentos de electricidad, Ed. Mc Graw Hill,1991.Pág 322-329 3.- JACOBO, Moreno Guillermo, "Electrónica Educativa 3" Segunda Edición, Editorial Trillas, S.A., México 1992, Pág 200 4.- Kerchner-Cocroran, "Circuitos de Corriente Alterna" Sedunda Edición, Editorial: C.E.C.S.A., México D.F., 1995, Pág. 152 5.- Resnick, Halliday, Krane, "Física" Editorial: CECSA, Cuarta edición, México D.F., 1998, 710 P.p. Tomo II 6- TERAN, Morales Alejandro, "Manual de Electricidad Aplicada", UPIICSA – IPN, Ingeniería Industrial, Academia de Laboratorio de electricidad y Control, México D.F., 2002, pág: 116 136 7.- Tiussow, M.S Milton. Fundamentos de electricidad. Ed Mc Graw Hill. 1ª ed, 1988. p 5, 42, 184, 185, 411, 412, 426. 8.- TOCCI, Ronald J. Sistemas digitales. Principios y aplicaciones. Ed. Prentice Hall. 3ª ed, 1991.
11
