Especificacion de Diseo de Lineas de Transmision Aereas
MANUAL PARA DISEO DE LNEAS DE TRANSMISIN AEREAS
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3. ESTRUCTURAS
3.1 Tipos de estructuras
El tipo de estructuras a utilizar para el diseo y en
consecuencia la construccin de una Lnea de Transmisin area, depende
principalmente:
Del nivel de tensin elctrica de operacin Calibre del conductor a
ser instaladoCantidad de circuitos necesarios para el enlace a la
red elctrica Disposicin de fases en el espacioLos costos o
presupuesto destinado para su construccinZonas por donde pasar la
trayectoria de la Lnea de Transmisin.
La Subdireccin de Programacin de la CFE es la encargada de
determinar, de manera preliminar, el tipo de estructura a emplear
en cada Lnea de Transmisin, con base en los requerimientos de
transmisin de energa; de manera particular, durante el recorrido de
la trayectoria y durante el proceso de diseo, es posible detectar
la necesidad de utilizar otro tipo de estructuras.
a) Torres autosoportadas, de retenidas y marcos de remate Torres
autosoportadasComnmente se conocen como torres autosoportadas
(Self-supporting lattice steel tower) a las estructuras formadas
por celosa(enrejado) de acero, que por su geometra y diseo son
capaces de soportar su propio peso y las fuerzas ejercidas por los
cables conductores y de guarda.
Debido a su aplicacin en cualquier tipo de terreno, las torres
autosoportadas son los tipos de estructuras ms tradicionalmente
usadas para lneas de transmisin areas. Se pueden disear para
diversas configuraciones de varios circuitos con diferentes
disposiciones de fases en el espacio; resultan ser el diseo ms
econmico an en casos de requerimientos de torres de gran
altura.
Las torres autosoportadas estn formadas con las partes mostradas
en la Figura..
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Crucetas para cables conductores
Puente o Trabe
Crucetas para cables de guarda
Cintura
Ventana
Cuerpo Piramidal
Cerramiento
Patas o Extensiones
Bottom Panel
Crucetas para cables de guarda
Crucetas paracables conductoresCuerpo Recto
Cuerpo Piramidal
Cerramiento
Patas o Extensiones
Bottom Panel
Figura . Partes que conforman torres autosoportadas.
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Torres de retenidas
Las torres de retenidas (Guyed steel tower) son estructuras
formadas por celosa(enrejado) de acero, que para soportar su propio
peso y las fuerzas ejercidas por los cables conductores y de
guarda, requieren de cables anclados al terreno, denominados
retenidas.
Las torres de retenidas son de dimensiones robustas, peso ligero
y constante mantenimiento. El uso de este tipo de estructuras
inicio en los aos 30s con forma de H denominadas tipo portal,
Figura ., aos posteriores se introdujo el uso de torres en forma de
V, Figura ., y raramente se ha usado torres en forma de Y, Figura
..
La aplicacin de torres con retenidas es comn para lneas largas
de slo un circuito, especialmente parar terreno plano y accesible,
por razones econmicas y de esttica. Para el uso de estas torres en
zonas agrcolas se debe prever el refuerzo de anclas en la
cimentacin para minimizar el dao por impacto de la maquinaria
agrcola.
Marcos de remate
Los marcos de remate son comnmente usados como estructuras
mayores en las subestaciones elctricas, sin embargo, han resultado
buena opcin para su aplicacin en lneas de transmisin;
principalmente en cruzamientos por debajo de otras lneas de
transmisin, donde se requiere baja altura de las estructuras para
lograr los libramientos de distancias dielctricas.
Normalmente los marcos de remate se disean de celosa de acero,
aunque tambin es posible sean de acero tubular (ver Figura .).
b) Postes troncocnicos
Los postes troncocnicos (Conical steel poles) son estructuras
conformadas por secciones cnicas de acero, de apariencia esbelta
(ver Figura .). Son frecuentemente usados en zonas urbanas y
suburbanas donde los anchos de derechos de va son estrechos y solo
es posible el uso de claros interpostales cortos. Estos postes
tambin son usados como estructuras compactas; incluyendo el empleo
de crucetas aisladas. Son estructuras aplicadas para minimizar el
impacto visual de las instalaciones. Es comn que se usen para
niveles de tensin elctrica a partir de los 115 kV. Con estos tipos
de estructuras es posible alcanzar alturas relativamente altas para
el enganche de los cables. Es importante considerar que los
proyectos de lneas de transmisin con postes troncocnicos son de
alto costo de inversin.
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Crucetas para Cables de Guarda
Trabe
Crucetas para Cable Conductor
Retenidas
Columnas en PortalColumnas en Portal
Cimientos de Concreto
Figura . Torre de retenidas tipo portal.
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Crucetas para Cables de Guarda
Trabe
Crucetas para Cable Conductor
Retenidas
Retenidas
Columnas en "V"
Columnas en "V"
Cimientos de Concreto
Figura . Torre de retenidas V.
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Figura . Torre de retenidas Y.
Figura . Marco de remate.
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Cuando el diseo de los postes troncocnicos contempla la posicin
de los circuitos de un solo lado, se les conoce como postes
troncocnicos tipo lindero (ver Figura .). Otra variedad del uso de
estos postes es para realizar transiciones de cable areo a cable
aislados de potencia subterrneos, denominados postes de transicin
(ver Figura .).
Figura . Poste troncocnico de doble circuito.
Las partes principales que conforman a un poste troncocnico son
las siguientes: Tapa.Brazos o crucetas.Caas. Escalones. Placa
base.
En las Figura ., Figura . y Figura . se ilustran las partes
principales de los postes troncocnicos, incluyendo el tipo lindero
y transicin, as como sus respectivas fotografas para observar de
forma detallada algunos de los elementos que los conforman.
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Tapa
Brazo o Cruceta para Cable de Guarda
Tercera seccin de la caa del poste
Brazo o Cruceta para Cable de Conductor
Segunda seccin de la caa del poste
Primera seccin de la caa del poste
Escalones
Cimentacin
Placa base para anclas
Figura . Partes de un poste troncocnico.
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TapaBrazo o Cruceta para Cable de Guarda
Tercera seccin de la caa del poste
Brazo o Cruceta para Cable de Conductor
Segunda seccin de la caa del poste
Primera seccin de la caa del poste
Escalones
Cimentacin
Placa base para anclas
Figura . Postes troncocnicos tipo lindero.
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Brazo o Cruceta para Cable de Guarda
Tapa
Cuarta seccin de la caa del poste
Tercera seccin de la caa del poste
Brazo o Cruceta para Cable de Conductor
Terminal Areo-Subterrnea y Apartarrayos
Cables de Potencia
Segunda seccin de la caa del poste
Salidas para Canalizarlos Cables de PotenciaPrimera seccin de la
caa del posteuna parte ahogada en la cimentacinCimentacin
Figura . Postes troncocnicos de transicin.
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En cuanto a la cimentacin, los postes troncocnicos pueden
clasificarse en:
Directamente empotrados.Con placa de base.
En la Figura . se ilustran las fotografas de postes troncocnicos
directamente empotrados y con placa base, mostrando las condiciones
de apoyo de acuerdo a su clasificacin.
(a)(b)
Figura . Clasificacin de tipos de apoyo para postes
troncocnicos. (a) Poste directamente empotrado, (b) Poste con placa
base de apoyo.
Los postes troncocnicos de acuerdo a su acoplamiento entre
secciones, pueden ser:Telescopiados.Bridados.
De acuerdo con la clasificacin anterior, los postes
telescopiados son los que mayor aplicacin tienen actualmente por
CFE, puesto que el acoplamiento entre secciones permite tener mayor
fuerza mecnica ante deformaciones, pandeos, etc. Estos daos pueden
ser originados principalmente por condiciones climatolgicas (cargas
por viento, instalacin de equipo de maniobra y proteccin). En la
Figura . se ilustran las fotografas de postes troncocnicos
telescopiados y bridados, indicando el tipo de acoplamiento entre
secciones.
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(a)(b)
Figura . Clasificacin de postes troncocnicos por su
acoplamiento. (a) Poste telescopiado, (b) Poste bridado.
c) Postes Morelos
Este tipo de estructuras surgen ante la necesidad de contar con
postes de transmisin de energa en redes de distribucin y
subtransmisin para niveles de tensin elctrica de hasta 115 kV,
permitiendo contribuir con las restricciones del ancho de derecho
de va en zonas urbanas.
Algunas de las ventajas de este tipo de postes son:
Su diseo estructural garantiza el adecuado comportamiento de las
cargas mecnicas que actan sobre la estructura
La silueta del poste reduce al mnimo el espacio requerido para
su instalacin.
Son ligeros, econmicos y su montaje es muy sencillo en
comparacin a las torres de celosa convencionales.
La instalacin de los aisladores se realiza directamente sobre la
estructura y generalmente se utilizan aisladores tipo poste para el
uso en suspensin.
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La aplicacin de estos postes es para claros relativamente
cortos, en comparacin con otro tipo de estructuras (postes
troncocnicos, madera y torres de acero). En la Figura . se ilustra
algunas fotografas de los postes Morelos.
Figura . Postes Morelos.
La clasificacin de acuerdo a su tipo y funcin refiere a: Poste
Morelos Tipo I. para postes de uso en suspensin y Poste Morelos
Tipo II. Para postes de uso en remates y deflexin.
d) Estructuras con postes Independencia
Como una variacin de los postes Morelos, la CFE junto con la
Compaa de Torres Mexicanas-Tomexsa, propusieron el diseo de un
poste autosoportado de seccin cuadrada con estructura rgida tipo
Vierendel (viga de soporte), con los que se pudieran salvar claros
mayores de 100 m. Los postes Independencia tienen mayor capacidad
mecnica que los postes Morelos permitiendo operar a niveles de
tensin de 230 kV, para lo cual es necesaria la instalacin de
crucetas aisladas para cumplir con las distancias dielctricas.
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Figura . Silueta ilustrativa Poste Independencia.
e) Estructuras formadas por postes de madera
Los postes de madera tienen versatilidad desde voltajes de media
tensin hasta 115 kV y en algunos pases hasta 230 kV; conformando
estructuras denominadas tipo H y tercias para su uso en suspensin y
tensin, respectivamente. Para estos tipos de estructuras se emplean
retenidas para soportar los esfuerzos mecnicos a los que se someten
las estructuras.Las partes principales para este tipo de
estructuras son: Crucetas de acero para conductores e hilos de
guarda.Brazos de tabln, para postes de madera.Brazos en V o X para
las configuraciones en H.Herrajes y accesorios.
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Pernos ojo para la sujeccin de Cables de Guarda
Crucetas para Cables Conductores
Brazos en "X"
Cimentaciones con relleno de rocas
Figura . Estructura formada por poste de madera Tipo H,
Suspensin.
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Pernos ojo para la sujeccin de Cables de Guarda
Crucetas para Cables Conductores
Brazos en "X"
Brazos en "X"
Cimentaciones con relleno de rocas
Figura . Estructura formada por poste de madera Tipo Tercia,
Remate/Deflexin.
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f) Estructuras formadas por postes de concreto seccin I
Las estructuras conformadas por postes de concreto tienen la
misma aplicacin y conformacin que las estructuras formadas por
postes de madera, sustituyendo nicamente la madera por postes de
concreto de seccin I. Se le da este nombre, por la forma geomtrica
que tiene la seccin transversal de los postes.
Pernos ojo para la sujeccin de Cables de Guarda
Cruceta para Cables Conductores
RetenidasRetenidas Brazosen "X"
Columnas de cemento
Figura . Estructura formada por postes de concreto, Tipo H,
Suspensin.
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Pernos ojo para la sujeccin de Cables de Guarda
Cruceta para Cables Conductores
Retenidas
Brazos en "X"
Brazos en "X"
Retenidas
Columnas de cemento
Figura . Estructura formada por postes de concreto, Tipo Tercia,
Remate/Deflexin.
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3.2 Clasificacin de las estructuras:
a) Por el tipo de material
Los materiales ms comunes para la fabricacin de estructuras para
Lneas de Transmisin de energa elctrica son el acero, el concreto y
la madera. Aunque, existen otros tipos de materiales como el
aluminio, la fibra de vidrio y algunos compuestos con polmeros y
silicn (polysil), los cuales permiten que el diseo de las
estructuras de transmisin minimicen el impacto ambiental y reduzcan
el ancho de derecho de va para aplicaciones en sistemas de
transmisin, subtransmisin y distribucin.
En cuestin econmica y por precio unitario, las estructuras
formadas por postes de madera resultan ser las ms baratas, le
siguen en orden las estructuras formadas por postes de concreto,
las torres de acero y los postes troncocnicos, siendo estas ltimas
las de mayor costo. Sin embargo, es necesario realizar un estudio
econmico para determinar el costo por Kilmetro de la Lnea de
Transmisin, en trminos generales, las torres de acero resultan ser
las de menor costo por Kilmetro.
Estructuras de acero
Dentro de la clasificacin de estructuras de acero se
encuentran:
Torres autosoprtadas o Torres con retenidas o Postes
troncocnicos Postes Morelos y tipo Independencia Marcos de
remate
Estructuras de aluminio
El uso del aluminio como material estructural se empez a
utilizar despus de la segunda guerra mundial, sin embargo, no fue
hasta 1960 cuando se diseo la primera torre de aluminio en estados
unidos para una lnea de transmisin de doble circuito y un nivel de
tensin de 220 kV, ver Figura . .
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Figura . Torre de aluminio para un nivel de tensin de 220
kV.
La comparativa de las torres de aluminio con las torres de acero
de celosa resulta :
No requieren ser galvanizados por el mtodo de inmersin en
caliente, debido a que el aluminio presenta mejores caractersticas
de resistencia ante condiciones atmosfricas corrosivas.
Las configuraciones y los detalles estructurales de diseo son
prcticamente los mismos que las torres de acero, sin embargo,
presentan problemas de mayor deformacin originadas por las
tensiones mecnicas debido al bajo modulo de elasticidad del
aluminio.
Las estructuras de aluminio son ms ligeras y fcil de instalar en
comparacin con las de acero.
En lo que se refiere a los costos de mantenimiento las
estructuras de aluminio resultan ser ms baratas que las de
acero.
Existe la aplicacin de postes de aluminio para circuitos de
subtransmisin en zonas urbanas, como se muestra en la Figura ..
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Figura . Poste de aluminio de subtransmisin.
Estructuras con materiales compuestos
La confiabilidad de una estructura de transmisin depende no slo
de su diseo, si no del desarrollo estructural del arreglo, el
detalle de las conexiones, uniformidad en la calidad de las
secciones estructurales, fabricacin, tipo y calidad de los
materiales. Actualmente, la investigacin de nuevos materiales
compuestos reforzados de fibra de vidrio con polmeros (FRP), y
avances en materiales orgnicos representa una alternativa confiable
para el uso en estructuras de transmisin y distribucin .
Estructuras de fibra de vidrio
La mayor aplicacin que se le ha encontrado a la fibra de vidrio
en los ltimos aos, ha sido en estructuras de transmisin de energa
elctrica tales como; postes de transmisin, distribucin, crucetas y
brazos en X para estructuras en configuracin H . En la Figura . se
ilustran algunas fotografas con la aplicacin de este tipo de
materiales en sistemas de transmisin y distribucin , .
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(a) (b)
(c)
Figura . Postes de fibra de vidrio. (a) Poste de distribucin con
crucetas de fibra de vidrio,(b) Postes de transmisin, (c)
Estructuras H y crucetas de fibra de vidrio.
En relacin al diseo de crucetas y brazos, estos generalmente
estn compuestos de plsticos reforzados con fibra de vidrio con
accesorios dctiles (flexibles) de hierro galvanizado. El material
plstico est compuesto de polister, epoxy, o cycloaliphatic. Adems,
las crucetas y los brazos se mezclan con resinas plsticas para
prevenir el deterioro por los rayos ultravioleta del sol. Tambin,
son cubiertas con poliuretano en la superficie externa, y todos los
empalmes son sellados para prevenir la penetracin de la humedad
.
A continuacin se mencionan algunas de las principales ventajas
que tienen los postes de fibra de vidrio en comparacin con los
postes de acero, madera y concreto , :
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Los postes de fibra de vidrio no requieren ser pintados o
galvanizados (mtodo de inmersin en caliente) como en el caso de los
postes de acero.
Los postes de transmisin con fibra de vidrio tienen un
coeficiente mayor de rigidez-peso que el acero, madera o concreto y
sustancialmente son ms ligeros, es decir, aproximadamente 30% el
peso de la madera, el 60% del acero y el 15% o menos del
concreto.
Los postes compuestos son inmunes a la congelacin, a la
descomposicin, al picoteo de pjaros.
Son un excelente aislador, incluso bajo condiciones
climatolgicas con lluvia.
Sin embargo, en la revista Transmission and Distribution World,
el costo de un poste de fibra de vidrio constituye una de las
principales desventajas. En promedio, el costo de un poste es
aproximadamente un tercio ms caro que el de un poste de madera. Por
lo que, se espera que el ahorro en mantenimiento y otras ventajas
adicionales amorticen el gasto inicial .
Postes de Polysil.
Actualmente, la investigacin de nuevos materiales compuestos de
polmeros y silicn (Polysil) para aplicaciones en estructuras de
transmisin ha sido desarrollada por el EPRI (Electric Power
Institute Research). Sin embargo, utilitarias como Florida Power
and Light Company, y Hughes Supply, Inc., han participado en la
instalacin de una lnea de transmisin de 138 kV con postes Polysil,
ver Figura . .
Los postes Polysil presentan las siguientes caractersticas :
Los postes constan de cuatro aisladores sobrepuestos sobre el
eje vertical y estn diseados para ensamblarse directamente al
poste.
No es necesario tener crucetas para el montaje de los cables
conductores, puesto que estos se instalan entre las secciones de
los aisladores, y los cables de guarda son instalados en la parte
superior del aislador.
Las propiedades fsicas de este tipo de materiales son excelentes
aisladores y estructuralmente son bastante fuertes.
Minimizan el espacio requerido para un circuito y mantienen la
apariencia de la silueta al mnimo.
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Figura . Postes Polysil (ilustrativa) para una lnea de
transmisin de 138 kV.
Estticamente son adecuados para zonasurbanas,aprovechandolas
limitaciones del ancho de derecho de va de las torres de acero.
En relacin a la altura del poste esta puede variar acuerdo alos
requerimientos del terreno.
b) Por la cantidad de circuitos y disposicin de fases en el
espacio
Las configuraciones ms tpicas de disposicin de fases en el
espacio son horizontales, verticales y en delta. Generalmente la
disposicin horizontal produce estructuras de menor peso, la
disposicin vertical genera estructuras que demandan menor ancho de
derecho de va, y la configuracin en delta minimiza prdidas
elctricas y efectos de campo magntico para estructuras de un slo
circuito. Se ilustran las fotografas estructuras con disposicin de
fases horizontal Figura ., vertical Figura . y delta Figura ..
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Figura . Torre autosoportada con disposicin de fases
horizontal.
Figura . Torre autosoportada con disposicin de fases
vertical.
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Figura . Torre autosoportada con disposicin de fases delta.
Por la cada vez mayor problemtica social y ambiental para la
construccin de nuevas Lneas de Transmisin, se ha generado la
necesidad de utilizar estructuras de ms de un circuito.
Las estructuras ms comunes son las de dos circuitos, sin
embargo, existen enlaces que requieren de estructuras de hasta
cuatro circuitos, incluso de diferente nivel de tensin elctrica. Se
ilustran las fotografas de un poste troncocnico de cuatro circuitos
(dos circuitos para 69 kV y dos circuitos para 230 kV) y una torre
autosoportada de cuatro circuitos para 230 kV (instalados slo tres
circuitos).
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Figura . Poste troncocnico de cuatro circuitos (2 de 230 kV y 2
de 69 kV).
Figura . Torre de acero de cuatro circuitos de 230 kV
(instalados tres circuitos).
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c) Por su funcin
Acorde a su funcin, las estructuras usadas para Lneas de
Transmisin son divididas en tres tipos o clases:
Estructuras de suspensin
Las estructuras de suspensin (suspension supports) se utilizan
en tramos rectos o con ngulos de deflexin muy pequeos con respecto
al cambio de direccin del eje de la trayectoria de las lneas de
transmisin, normalmente no exceden los 3. Adems, las estructuras de
suspensin constituyen entre el 80 y 90% del total de las
estructuras consideradas en el diseo de una lnea de transmisin
.
Durante condiciones normales de operacin, las tensiones en los
cables no transfieren esfuerzos adicionales a estas estructuras,
estn diseadas para soportan nicamente las cargas verticales y la
fuerza ejercida por la presin del viento actuando
perpendicularmente con respecto a la direccin de la trayectoria de
la lnea de transmisin.
Estructuras de deflexin
Las estructuras de deflexin (Angle supports) son utilizadas
cuando la lnea de transmisin cambia de direccin. Este tipo torres
se colocan en los puntos de interseccin o inflexin, tales que el
eje transversal de la cruceta biseca (divide) el ngulo formado por
el conductor, igualando las tensiones longitudinales de los
conductores en los claros adyacentes . Las estructuras de deflexin
soportan las fuerzas ejercidas por la tensin de los cables cuando
la trayectoria de la lnea cambia de direccin.
Los ngulos de deflexin que se recomiendan para el diseo de este
tipo de estructuras oscilan entre los 5 y 60 dependiendo de las
caractersticas de la lnea de transmisin . En la Figura . se
ilustran los ngulos de deflexin y cambios en la trayectoria de una
lnea de transmisin.
Estructuras de remate
Las estructuras de remate son diseadas para resistir la tensin
permanente en el tendido de los conductores en un solo lado.
Generalmente se colocan al inicio y final de la lnea de transmisin
con ngulos desde 0 hasta 90.
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Trayectoria de la lnea de transmisin
ngulo de deflexin a la derecha
ngulo de deflexin a la izquierda
Figura . Trayectoria de la lnea de transmisin y ngulos de
deflexin.
Cuando existan tramos rectos de trayectorias, comnmente llamados
tangentes, con longitudes muy grandes, no es recomendable utilizar
solamente estructuras de suspensin, ya que al presentarse una
eventual rotura de cable, podra presentarse la falla mecnica de
todas las estructuras de suspensin del tramo, lo que se conoce como
fallas en cascada. Para evitar este evento indeseable es necesario
intercalar estructuras de remate (denominadas rompe-tramos).
Es prctica comn que las compaas suministradoras de energa
elctrica, como lo es la CFE, cuenten con conjuntos de estructuras
normalizadas para cada nivel de tensin elctrica comnmente llamadas
familias -. Cada familia de estructuras consiste al menos de una
estructura para su uso en remate, una estructura para su uso en
deflexin y una estructura para su uso en suspensin.
Estructuras especiales
Generalmente en el diseo y construccin de una lnea de transmisin
se presentan condiciones especiales de operacin, entre estas
podemos citar cruces de ros o lagos con claros grandes, las cuales
requiere de estructuras con altura extraordinarias. Adicionalmente,
existen otro tipo de estructuras que se pueden clasificar como
especiales de acuerdo a su funcin:
Estructuras de transposicin.Estructuras de emergencia.
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Figura . Estructuras especiales. Ubicacin de estructuras en el
cruce del embalse de la presa Nezahualcyotl, Chiapas, RGC
Sureste.
Estructuras de transposicin
Las estructuras de transposicin sirven para cambiar de posicin
fsica las fases de un circuito especifico, ver Figura . y Figura ..
A este tipo de estructuras se les consideran como estructuras
especiales porque el diseo de las crucetas es diferente al de una
estructura convencional.
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Figura . Torre de acero para transposicin de fases, un
circuito.
Figura . Secuencia de transposicin simple de una lnea de
transmisin.
Estructuras de emergencia
La funcin principal de las estructuras de emergencia es
restablecer el sistema de transmisin de energa elctrica en lugares
donde las estructuras de una lnea de transmisin han sido daadas por
fenmenos meteorolgicos tales como; fuertes vientos, huracanes,
deslaves, etc., inclusive en algunos casos por vandalismo. A estas
estructuras se les conoce como Sistemas de Restauracin
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de Emergencia o Estructuras tipo LINDSEY (derivado del nombre
del fabricante).
Actualmente las compaas encargadas de suministrar energa
elctrica en varias partes del mundo y principalmente la Comisin
Federal de Electricidad, han utilizando temporalmente este tipo de
estructuras para resolver problemas de transmisin de energa
elctrica en el pas.
Esto se debe principalmente porque el costo de instalacin y
montaje son factibles para mantener el servicio de energa elctrica
hasta que las estructuras daadas sean reparadas completamente. En
la Figura . se ilustran algunas fotografas de este tipo de
estructuras .
Figura . Estructuras tipo LINDSEY.
3.3 Consideraciones mecnicas de las estructuras de soporte
a) Deflexin
La deflexin en una Lnea de Transmisin se define como el ngulo de
cambio de direccin en la trayectoria de la lnea de transmisin. Este
cambio de direccin genera fuerzas transversales sobre la
estructura, mismas que deben ser conside- radas al momento del
diseo propio de la estructura. Asimismo, al momento de seleccionar
una estructura con diseos propios de la CFE, se debe verificar que
esta sea capaz de soportar la deflexin requerida por el proyecto,
en caso contra- rio, se debe generar un nuevo diseo de estructura
o, de ser posible, modificar la trayectoria para reducir el ngulo
de la deflexin. En la seccin CARGAS
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TRANSVERSALES de este documento se analiza el efecto de las
cargas trans- versales por deflexin de la Lnea de Transmisin.
b) Claro efectivo
El claro efectivo es la distancia horizontal entre dos
estructuras consecutivas. Pa- ra fines de diseo de las estructuras
los claros utilizados y a verificar como parte del proyecto
electromecnico de la Lnea de Transmisin son los denominados claro
medio horizontal y claro vertical.
c) Claro medio horizontal
El claro medio horizontal o claro de viento es igual a la
semisuma de los claros adyacentes de una estructura de transmisin y
es proporcional a la fuerza transversal horizontal debida a la
carga de viento que acta sobre los cables conductores y cables de
guarda. Y se obtiene mediante la siguiente expresin,
CMH
L1 L22
(-)
Donde, CMH es la longitud del claro de viento en direccin
longitudinal en [m],L1 es la longitud del claro anterior a la
estructura medido en la direccin
longitudinal en [m],
L2 longitud del claro posterior a la estructura medido en la
direccin longitudinal en [m].
d) Claro vertical
El claro vertical o claro de peso es igual a la distancia
horizontal entre los vrtices de las catenarias a uno y otro lado de
la estructura y es proporcional a la fuerza vertical debida al peso
de los cables conductores y cables de guarda.
CVLp1
Lp2
(-)
Donde, CV es la longitud del claro de peso de la estructura en
[m],
Lp1 es la
longitud del vrtice de la catenaria anterior a la estructura en
[m], longitud del vrtice de la catenaria posterior a la estructura
en [m].
Lp 2
es la
El claro de peso mximo permisible generalmente no es la condicin
crtica para la seleccin de una estructura en particular. Sin
embargo, los claros de peso pequeos pueden ser crticos en lo
referente a que pueden generar tiros ascendentes de las torres.
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En la Figura . se ilustran los claros medio horizontal y
vertical en estructuras de transmisin.
Claro de peso
CV= Lp1+Lp2
Lp2
Lp1
Claro de vientoCMH= L1+L22
L1L2L3
Figura . Claro de medio horizontal y Claro vertical en
estructuras de transmisin.
e) Tiro ascendente
Este efecto de tiro ascendente ocurre cuando el claro de peso o
vertical en una estructura de transmisin es negativo, es decir, en
claros abruptamente inclinados, el punto ms bajo de la flecha puede
descender ms all del punto ms bajo del soporte de la estructura.
Esto indica que el conductor en el claro ascendente est ejerciendo
una fuerza negativa (hacia arriba) sobre la estructura ms baja.
La cantidad de esta fuerza ascendente es igual al peso del
conductor desde la estructura inferior hasta el punto ms bajo de la
flecha. Sin embargo, s la fuerza o tiro del claro ascendente es
mayor que la carga descendente del claro adyacente, se presentara
un levantamiento en la estructura ocasionando que la fuerza que se
ejerce en los conductores levante las cadenas de aisladores, esto
generalmente se presenta bajo condiciones de temperatura mnima y en
trayectorias de lneas de transmisin que tienen tramos con terrenos
montaosos con claros a desnivel o inclinados , ver Figura ..
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Flecha mnima
Flecha mxima
Levantamiento de la estructura
Flecha mnima
Flecha mxima
Figura . Ilustracin del levantamiento del conductor .
Una forma de solucionar este problema es agregando contrapesos a
las cadenas de aisladores o utilizar estructuras de tensin .
Bajo este contexto es importante determinar el tiro ascendente
uplift resultanteen las estructuras con posibilidad de presentar
problemas de tiro ascendente.
Determinacin del tiro ascendente Uplift
Para calcular el tiro ascendente partiremos del anlisis de la
Figura ., la cual es representativa de un tramo de una lnea de
transmisin con claros a distinto desnivel .
De la Figura . obsrvese que el tiro ascendente resultante en el
soporte 2, esta dado por efecto de las catenarias adyacentes de los
claros 1 y 2.
Para determinar la longitud del conductor en el claro 1, si
estuviera nivelado, se considera nicamente los ejes XY.
L12Csenh
a1 (-)2C
Donde,
L1 es la longitud del conductor en el claro 1 en [m], C es el
parmetro de
la catenaria en [m],
a1 es la longitud del claro 1 en [m].
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Y 3Y
h2
2
h1
1
X2O
Xm2 X
X2 a2
0 Xm1 X
a1
Figura .. Anlisis del efecto del tiro ascendente Uplift sobre la
estructura 2 .
La posicin cartesiana de
xm1
a la mitad del claro se determina con la expresin,
m1xCsenh 1
h1L1
(-)
Donde, C es el parmetro de la catenaria en [m],
h1 es el desnivel del claro 1 en
[m],
L1 es la longitud del conductor en el claro 1 [m].
La posicin cartesiana de la estructura 2 est dada por,
xxa1
(-)
2m12
El tiro vertical en cualquier punto x del conductor en el claro
1 esta dado por,
x2
Tx 2
T0 cosh
(-)C
Donde, T0
es la tensin mecnica mxima resultante del conductor en [kg] , C
es
el parmetro de la catenaria en [m].
Por lo tanto, el tiro ascendente en el soporte 2 debido a la
presencia del conductor en el claro 1 esta dado por,
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T T 2 T 2
T 2 2 x2 T 2
T senh x2
(-)
v21
x2 0 0
cosh 0 0C C
La ecuacin (-) debe cumplir para las siguientes condiciones:
Six20
Tv 21
0 Hacia arriba (-)
Six20
Tv 21
0Hacia abajo
Donde,
Tv 21
es el tiro ascendente entre los soportes 2 y 1 en [kg] ,Tx 2
es el tiro
ascendente en cualquier punto del claro 1 en [kg] , T0
es el tiro mximo
resultante del conductor en [kg] , C es el parmetro de la
catenaria en [m], x2posicin cartesiana de la estructura 2.
Ahora si analizamos el claro 2, si estuviera nivelado, para los
soportes 2 y 3 con los ejes XY se tiene que la longitud del
conductor esta dado por,
a2
L22Csenh
(-)2C
Donde,
L2 es la longitud del conductor en el claro 2 en [m], C es el
parmetro de
la catenaria en [m], a2
es la longitud del claro 2 en [m].
La posicin cartesiana de
xm 2 a la mitad del claro se determina con la expresin,
xm2
Csenh 1 h2L2
(-)
Donde, C es el parmetro de la catenaria en [m], h2
es el desnivel del claro 2 en
[m], L2
es la longitud del conductor en el claro 2 [m].
La posicin cartesiana del soporte 2 respecto a los ejes XY est
dada por,
xxa2
(-)
2 m2 2
El tiro vertical en cualquier punto del conductor del claro 2
esta dado por,
T T
cosh
x2
(-)
x 2 0 C
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Donde, T0
es el tiro mximo resultante del conductor en [kg] , C es el
parmetro
de la catenaria en [m].
El tiro vertical en el soporte 2 debido a la presencia del
conductor en claro 2 ser,
T T 2 T 2
T 2 cosh2
x2 T 2
senh
x2
(-)
v22
x2 0 0 C 0 C
La ecuacin (-) debe cumplir para las siguientes condiciones:
Six2 0Six2 0
Tv22Tv21
0Hacia arriba0Hacia abajo
(-)
Donde,
Tv 22 es el tiro ascendente en el soporte 2 en [kg] ,
Tv 21
es el tiro
ascendente entre los soportes 2 y 1 en [kg] , Tx 2
es el tiro ascendente en
cualquier punto del claro 1 en [kg] , T0
es el tiro mximo resultante del conductor
en [kg] , C es el parmetro de la catenaria en [m], estructura 2
respecto a los ejes XY.
x2
posicin cartesiana de la
Finalmente el tiro ascendente neto en el soporte 2 esta dado
por,
Tv 2
Tv 21
Tv 22
(-)
Donde, Tv 2
tiro ascendente neto en [kg] , Tv 22 es el tiro ascendente en el
soporte 2
en [kg] , Tv 21 es el tiro ascendente entre los soportes 2 y 1
en [kg] .
El claro de peso en el soporte 2 esta dado por,
paTv 2wc
(-)
Donde,
ap claro de peso de la estructura en [m],
Tv 2
tiro ascendente neto en
[kg] , wc
peso unitario del conductor en [kg m] .
Sin embargo, de la Figura . se tiene que el claro de peso de la
estructura ( ap ) es la diferencia de la posicin cartesiana de los
ejes coordenados XY y XY, es decir,
apx 2
x2
(-)
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El tiro vertical resultante en el soporte 2 esta dado por la
expresin,
Tv 2
wc (x2
x2)
(-)
De la ecuacin (-) se tiene que las relaciones de
x 2 y
x 2 estn definidas por las
ecuaciones (-) y (-), por lo tanto, se tiene que el claro de
peso de la estructura esta dado por,
a x x x x x
a1 x
a2 x x
a1 a2
x x a
p 2 2 m1
m2
m1 2
m2 2
m1 m2 2
m1 m2 v
(-)
Finalmente si se iguala el claro de peso con la posicin
cartesiana de los ejes XY y XY a la mitad del claro, se tiene la
expresin,
apav
xm1
xm2
(-)
Donde, ap
es el claro de peso de la estructura en [m],
av claro de viento en [m],
xm1[m],
posicin cartesiana de la estructura a la mitad del claro en los
ejes XY enxm 2 posicin cartesiana de la estructura a la mitad del
claro en los ejes XY
en [m].
Determinacin del contrapeso requerido para eliminar el efecto de
tiroascendente Uplift
Para calcular la magnitud de los contrapesos requeridos es
necesario considerar el ngulo de balanceo de las cadenas de
aisladores, el cual est dado por la expresin , ,
tan
2T0 sen 2
wv av cos
P Q
Qv 2 2
(-)
2
Donde,es el ngulo de deflexin de la lnea de transmisin en [ ] ,
T0
es el tiro
mximo del conductor en [kg] ,es el ngulo de balanceo de la
cadena de2
aisladores en [ ] , wv
es la presin del viento sobre el conductor en
[kg m ] ,
av es el claro de viento en [m], Qv
es la fuerza de viento sobre la cadena en [kg] ,
Q es el peso de la cadena de aisladores en [kg] , P es el peso
del conductor soportado en la cadena en [kg] .
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Es importante mencionar que el ngulo de balanceo de la cadena de
aisladores tiene un lmitetal que no viole la distancia dielctrica
de fase a tierra. Bajo estecontexto, la ecuacin (-) del ngulo de
balanceo queda de la forma,
tan
2T0 sen 2
wv av cos
P Q C2
Qv 2 2
(-)
Despejando C de la ecuacin (-), se tiene que el contrapeso esta
dado por,
2T0 sen 2
wv av cos
Qv 22
PQ tan 2
C(-)tan
En la Figura . se ilustra una cadena de aisladores con tres
contrapesos dispuestos verticalmente, aunque tambin pueden ser
instalados de modo horizontal. Estos contrapesos se fabrican de
hierro fundido galvanizado en caliente y se les construye tanto en
seccin circular como en rectangular .
Viento
h
dd a
Figura .. Cadenas de aisladores con contrapesos .
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