sábado, 10 de marzo de 2018

Líneas aéreas de AT: Conductores (Parte 1ª)




En esta serie de posts se analizan y describen someramente los diferentes componentes de las Líneas Aéreas de Alta Tensión, tales como conductores de aluminio, apoyos, aisladores, elementos de conexión, herrajes y accesorios, etc.

Las líneas eléctricas aéreas de Alta Tensión están constituidas por grupos de conductores dispuestos paralelamente y montados sobre apoyos, que proporcionan el aislamiento requerido entre conductores y tierra.


Elementos componentes de las líneas aéreas de Alta tensión

Conductores:

Son elementos que aseguran la conducción de energía eléctrica. Los conductores podrán ser de cualquier material metálico o combinación de estos que permitan constituir alambres o cables de características eléctricas y mecánicas adecuadas para su fin e inalterables con el tiempo, debiendo presentar además una resistencia elevada a la corrosión atmosférica.

Tipos de conductores convencionales de aluminio

a) Conductores homogéneos de aluminio (AL1).
b) Conductores homogéneos de aleación de aluminio (ALx).
c) Conductores  compuestos (bimetálicos) de aluminio o aleación de aluminio reforzados con acero galvanizado (AL1/STyz o ALx/STyz).
d) Conductores compuestos (bimetálicos) de aluminio o aleación de aluminio reforzado con acero recubierto de aluminio (AL1/SAyz o ALx/SAyz).
e) Conductores compuestos (bimetálicos) de aluminio reforzados con aleación de aluminio (AL1/ALx).

NOTA 1:

Para las características de los conductores descritos en a), b) y c) se tomarán como referencia las tablas de la Norma UNE-EN 50182, para los descritos en d) la UNE 21018, mientras que no estén incluidas en la norma UNE-EN 50182 y para los descritos en e) la norma IEC 61089. Cuando los hilos constituyentes de aluminio o de aleación de aluminio sean de forma trapezoidal la norma aplicable es la EN 62219

NOTA 2:

a) La temperatura máxima de servicio bajo carga normal en la línea, no sobrepasará los 85 ºC.
b) La temperatura máxima de corta duración para momentos especificados, bajo diferentes cargas en la línea, superiores al nivel normal, no sobrepasará los 100 ºC
c) La temperatura máxima debida a un fallo especificado del sistema eléctrico, no sobrepasará los 100 ºC.

NOTA 3:

El uso de conductores de alta temperatura, tales como los compuestos por aleaciones especiales de Aluminio-Zirconio, definidos en la norma IEC 62004, permite trabajar con temperaturas de servicio superiores. Este tipo de conductores son solo un ejemplo de conductores de altas prestaciones dado que también pueden utilizarse otros, tales como conductores ACSS según la Norma UNE-EN 50540 o conductores tipo GAP según la norma UNE-EN 62420.

Conductor ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced) (Antigua denominación LA): 

Los cables Aluminio-Acero surgieron de la necesidad de reforzar los cables de aluminio aumentando las características mecánicas del mismo, mejorando el coeficiente de dilatación térmica y asegurando una mayor vida del conductor. Desde ese momento estos conductores son los más empleados universalmente en líneas aéreas.

Los cables ACSR están formados por alambres de aluminio de alta pureza y temple duro, colocados en capas concéntricas sobre un núcleo de alambre o cable de acero galvanizado.



Las propiedades mecánicas y eléctricas varían según la relación entre las dos secciones (acero y aluminio) y el tamaño del conductor en sí.

Es un tipo de conductor utilizado para luces medias y largas, dado el alto valor de la resistencia mecánica específica y la buena capacidad de transporte.

La presencia de acero garantiza amplios márgenes de seguridad al conductor y la presencia de zinc permite una adecuada protección contra la corrosión.

Son conductores muy conocidos y estudiados, confiables y fáciles de instalar


Características de los conductores de aluminio-acero galvanizado (ACSR)

Ventajas

 Por su refuerzo de acero se obtienen claros interpostales mayores que para cables de cobre o aluminio.
 Fácil de instalar.
 Gran resistencia a la tensión mecánica.
 Puede instalase en medio medioambientales agresivos.

Inconvenientes

 No soporta temperaturas superiores al 90 ºC
 La elongación del conductor se presenta a menores temperaturas

Conductor AAC (All Aluminium Conductor)

Estos cables están formados por varios alambres de aluminio en capas concéntricas cableadas en sentidos contrarios.

El aluminio utilizado para la producción de estos cables es de primera fusión, con un mínimo del 99,5% asegurando con esta pureza una alta resistencia a la corrosión. Estos cables son adecuados pata tramos relativamente cortos en zonas con alto grado de humedad y en lugares con elevada contaminación atmosférica.

Tiene una conductividad igual al 61% de la del cobre. Dada la fuerza mecánica específica relativamente baja ("resistencia mecánica" / "masa").



Características de los conductores homogéneos de aluminio desnudo (L)


Conductor homogéneo ALMELEC (AAAC) (All Aluminium Alloy Conductor) ó D

El Almelec es una aleación de aluminio-Magnesio y Silicio. La ventaja de estos cables frente a los ACSR son:

·         Infraestructura más barata debido a:

o   Vanos más largos (se necesitan menos apoyos) debido al peso menor y carga de rotura elevada (la flecha es menor).
o   Mejor reutilización de los desechos puesto que es un cable homogéneo

·         Gran facilidad de instalación

o   Mayor dureza superficial que el aluminio (menos sensible a golpes)
o   Mejor resistencia a la tracción
o   Menos peso, mejor manejo de los carretes.
o   Fácil unión extremos del cable

Se caracterizan por una alta resistencia a la corrosión.

A diferencia de los conductores con núcleo de acero (ACSR), tienen un diámetro menor, esto les permite estar menos sujetos al empuje transversal debido al viento y permite su instalación incluso en soportes más ligeros.


Características de los conductores de aluminio homogéneo Almelec (AAAC)

Ventajas

 Tienen una alta relación conductividad eléctrica/peso.
 Gracias a su reducido peso, permite aumentar la sección y, con ello, minimizar las pérdidas.
 Dilatada experiencia en el correcto comportamiento de estos cables.

Inconvenientes

 El incremento de capacidad conseguido es pequeño porque su máxima temperatura de funcionamiento es similar a la de los conductores convencionales (90ºC).
 El efecto fluencia del aluminio repercute en una flecha mayor.

(ACSR-AW) Cable de aluminio reforzado con acero recubierto de aluminio (antigua denominación LARL)

El acero recubierto de aluminio (Tipo Alumoweld) es un producto bimetálico con un revestimiento de aluminio puro sobre un núcleo de acero de alta resistencia, unidos metalúrgicamente de forma continua.

El uso de este tipo de hilo es debido a que la conductividad es más elevada que la del acero galvanizado y garantiza una resistencia a la corrosión similar a la del hilo de aluminio, esto hacen que se puedan utilizar con mayor seguridad que los ACSR en zonas de ambientes industriales y marítimos.



Los puntos principales de esta familia de productos son:
·         Las propiedades mecánicas son compatibles con AAAC y ACSR
·         Pérdidas bajas debido a la alta conductividad del aluminio recocido
·         Variación de flecha reducida.


Características de los cables de aluminio-acero recubierto de aluminio

Conductores de alta temperatura y baja flecha (HTLS), según IEC 62004:

Estos conductores son denominados HTLS (High Temperature Low Sag) operan a altas temperaturas con bajas elongaciones y no sólo tienen más de capacidad de corriente que los conductores convencionales, sino que tienen la ventaja de que pueden operar a temperaturas mucho más altas sin que se presente un mayor cambio en la elongación y no aumente la flecha.

Mientras que los conductores convencionales tienen una temperatura máxima de operación de 90ºC, los conductores HTLS tienen una de 200ºC a 250ºC.

Al soportar mayores temperaturas tienen mayor capacidad de transporte de corriente y por tanto mayor capacidad de transmisión de potencia.

Conductor ACSS (Aluminum Conductor Steel Supported)

La tecnología ACSS es básicamente un ACSR, pero donde el aluminio es sometido a un tratamiento de recocido completo (denominado aluminio 1350-O), que desacopla la performance mecánica del conductor de aluminio y el núcleo de acero. Además, disminuye su punto de fluencia, aumenta su conductividad y su ductilidad.

Propiedades

 La temperatura de funcionamiento ronda los 200ºC. Si el núcleo está recubierto de aluminio será 260ºC, si se galvaniza podrá ser de 245ºC.
 La temperatura máxima de trabajo está fijada por el límite del acero o, si existen, por el de los recubrimientos del mismo.
 La elongación que pueden tener los alambres de aluminio puede llegar hasta el 20-30% sin fallar, cuando en los ACSR se sitúa entre el 1,2 y el 2%.
 El método de tendido es el mismo que para los conductores ACSR.
 La conductividad es ligeramente mayor.
 Como el aluminio no soporta tensión, se mejora la respuesta del conductor ante fatiga y efecto CREEP (fluencia).

Ventajas

 La temperatura máxima de trabajo y, por tanto, la intensidad transportada, se aumenta considerablemente respecto a los conductores convencionales.
 Al estar formado por acero, que es el mismo material que el del núcleo de los conductores convencionales, el comportamiento del núcleo de los ACSS es conocido.
 Dado que la tensión en los cables de aluminio es relativamente baja, pueden desplazarse unos sobre otros y de esta manera se reduce la fricción entre las capas de aluminio cuando éste es flexionado. Esto hace que sea menos susceptible a las vibraciones eólicas y que posea un excelente comportamiento auto-amortiguante.
 La posibilidad de que el conductor falle por fatiga es mínima.
 El método y materiales de tendido son los mismos que para un conductor convencional.

Inconvenientes

 Debido al tratamiento de recocido, el aluminio utilizado es muy blando, por lo tanto deben extremarse las precauciones para no dañar la superficie en el tendido.
 Tiene mayor riesgo de que se produzca el efecto bird-caging o efecto jaula, apertura de los conductores de las capas externa ocasionada por su baja tensión de tendido.

 Su tensión de rotura es apreciablemente menor en comparación con los conductores ACSR de sección similar, por ser el núcleo el que soporta toda la tracción. Esto provoca una considerable reducción de la tensión de rotura.

Conductor GAP (Tipos GTACSR, GKTACSR, GZTACSR)

Compuestos de aluminio termo-resistente, aleaciones tipo TAL y ZTAL respectivamente y alma de acero extra-resistente.

Esta familia de conductores está construida con una geometría particular. Entre el portador de acero y los alambres de aluminio con forma externa hay un espacio que se llena de grasa. El aspecto fundamental de este tipo de conductor es el deslizamiento de las capas conductoras externas sobre el núcleo soporte. Los dos componentes son por lo tanto independientes, esto significa que las capas externas de aluminio pueden descansar sobre el portador de acero sin soportar ningún esfuerzo físico.

Las capas conductoras externas están hechas de una aleación Al-Zr (Aluminio- Zirconio) súper termorresistente, cuyas temperaturas de funcionamiento pueden alcanzar los 210ºC.

El punto principal de estos conductores es:

Los esfuerzos  núcleo y las capas externas son Independientes y el punto de inflexión se encuentra a la temperatura de instalación.

La flecha crece muy lentamente al aumentar la temperatura, ya que el coeficiente lineal de expansión térmica de referencia es el del acero como punto de inflexión.

Se mantienen propiedades mecánicas hasta los 210 ° C

Esta tecnología requiere especialistas calificados para la fase de instalación.

Es adecuado para reemplazar el ACSR en terrenos planos o con pequeñas diferencias de nivel.

Ventajas

 Los conductores que tienen aleación de zirconio pueden soportar temperaturas del orden de los 210ºC, aumentando aún más la capacidad de un GAP ordinario.
 Se reduce la flecha gracias al mayor tensado del cable y a su configuración.
 Debido al incremento de la temperatura máxima de funcionamiento y de la tensión de tendido, permite transportar una mayor intensidad que los conductores convencionales.
 Los materiales son los mismos que los de los conductores convencionales.

Inconvenientes

 Tienen un método de tendido muy complicado. Podemos estimar de los precedentes de instalación es un 30% de aumento en el tiempo de tendido.
 Debido a su particularidad en el tendido la distancia máxima de tramos entre amarres es de 1.700 m.
 Dificultad de introducir empalmes en los vanos.

Invar Core Conductors (TACIR, KTACIR, ZTACIR)

Esta es la solución más común para repotenciar las líneas existentes.

Estos conductores utilizan en su núcleo una aleación especial de acero Fe-Ni (Invar) cuya principal característica es el muy bajo coeficiente de expansión térmica. Invar está cubierto por una fina capa de aluminio extruido que evita la corrosión y el cable se identifica con el acrónimo ACI (Aluminium Clad Invar).

Las capas externas conductoras están hechas de una aleación Al-Zr (Aluminio-Zirconio) súper resistente a la temperatura que puede alcanzar los 210 ° C.

Los puntos principales de esta familia de productos son:

·    Bajo coeficiente de expansión lineal que limita el aumento de la flecha con el aumento de la temperatura.
·         Propiedades mecánicas muy similares a ACSR
·         Instalación fácil, utilizando el mismo método de instalación que los conductores ACSR estándar
·         Alta resistencia a la corrosión del núcleo gracias a la presencia del ACI.
·         Son adecuados para reemplazar el ACSR en todas las condiciones orográficas.

Ventajas

 Permite aumentar la temperatura de funcionamiento de la línea hasta unos 210 ºC.
 El coeficiente de expansión del Invar es de 2,8 1/ K hasta 100ºC y de 3,61/ K por encima (casi 4 veces más pequeño que el del acero), lo que permite que una vez alcanzada la temperatura de transición la flecha se mantenga casi constante.
 Instalación similar al convencional.

Inconvenientes

 El Invar es más débil que el acero convencional, por lo tanto para aplicaciones donde la carga soportada sea mayor se debe aumentar la sección de invar. Esto hace que el peso del conductor sea mayor y por tanto, también lo sea la flecha resultante.
 Dicha debilidad mecánica del Invar, provoca también que la proporción de núcleo, en relación a la sección total del conductor, tenga que ser mayor que en el caso de utilizar acero. Por tanto, para secciones iguales que los que cuentan con núcleo de acero, se reduce la capacidad de transporte de corriente de la línea y se incrementan las pérdidas.
 Su uso está limitado a zonas con condiciones favorables (como Japón), impidiendo su utilización en donde las cargas por hielo, viento, etc. puedan ser importantes (como Estados Unidos o Europa)
 Punto de transición elevado en comparación con los conductores tipo GAP


Conductor ACCC (Aluminium Conductor Composite Core)

El  conductor ACCC utiliza un núcleo híbrido hecho de fibras de carbono y vidrio integradas en una matriz de resina epoxi termoendurecible de alto rendimiento. El núcleo central en fibra de carbono consiste en decenas de miles de fibras unidireccionales de alto módulo y carga elevada rodeadas por una capa protectora de fibras de vidrio. Las fibras de vidrio externas mejoran la tenacidad y la flexibilidad y al mismo tiempo proporcionan protección galvánica a la corrosión con capas conductoras de aluminio.

El conductor ACCC con su núcleo híbrido no solo es dos veces más fuerte que el acero, sino que también es un 70% más liviano.

El menor peso del conductor ACCC permite el uso de aproximadamente un 28% más de aluminio sin penalizar el peso o el diámetro del conductor. La compacidad de los filamentos trapezoidales y la superficie lisa del núcleo compuesto trabajan al unísono para disipar las vibraciones inducidas por el viento. Por un lado los hilos de aluminio recocido ofrecen el más alto grado de conductividad que cualquier otro aluminio actualmente disponible en el mercado, por otro lado el núcleo de material compuesto proporciona un coeficiente de dilatación térmica aproximadamente diez veces menor que la del acero.

El bajo coeficiente de expansión térmica reduce la flecha del conductor durante las condiciones de sobrecarga eléctrica.


Figura: Expansión térmica / temperatura de diferentes conductores probados por los laboratorios Ontario Hydro en Kinectrics


El núcleo es completamente elástico y no se deforma plásticamente y su módulo elástico es más bajo que el del acero. El módulo más pequeño permite que el conductor de ACCC se alargue durante las sobrecargas de hielo o durante vientos fuertes. Sin embargo, cuando estas circunstancias desaparecen, el núcleo de material compuesto vuelve completamente a su conducción inicial y, en consecuencia, lleva el aluminio a un estado de reposo.

Estas condiciones mejoran aún más las características de auto amortiguación del conductor de ACCC y reduce el punto de inflexión térmica del conductor para reducir aún más la flecha del conductor en condiciones de sobrecarga eléctrica.

Ventajas

 Se reduce notablemente el peso del conductor.
 Gran capacidad para trabajar a altas temperaturas.
 Para la misma sección que un conductor ACSR, se dobla la capacidad de la línea, ya que permite añadir un 28% más de aluminio.
 La densidad del aluminio recocido es 63% IACS1, la mayor de los materiales utilizados en los conductores de alta temperatura.
 La flecha es inferior a la que presentan los conductores convencionales.
 Los esfuerzos horizontales que traslada a las torres están muy por debajo de los que trasladan los demás conductores, lo que permitiría aumentos de sección del conductor sin reforzar apoyos, con la consecuente reducción de pérdidas.
 El método de instalación es parecido al convencional, solo que deberá tenerse cuidado de no doblar y romper las fibras del alma. Estimación de tiempo de instalación, 10% superior el convencional.
 En el caso de líneas nuevas permitiría la disminución del número de apoyos.

Inconvenientes

 El núcleo tiene solo una fibra, lo cual, en caso de fallo, provocaría la rotura del conductor.
 Tienen un costo elevado respecto a las demás tecnologías, sin embargo es menos costosa que el cable ACCR.
 Materiales diferentes a los convencionales, por lo que se desconoce su comportamiento a largo plazo y en explotación. Comportamiento de difícil predicción a flexión, torsión y fatiga.

Conductor ACCR 

Conductor de Aluminio Reforzado por Compuesto Metálico, es un conductor para líneas de transmisión, diseñado para aumentar significativamente la ampacidad, manteniendo las estructuras existentes, aún bajo condiciones y ambientes extremos.

La combinación de un alma de matriz de aluminio y las coronas externas de Aluminio Zirconio (AL-Zr) resistente a altas temperaturas, proveen muchas ventajas en comparación a otros conductores.

En Comparación con un cable convencional de alma de acero, el ACCR presenta:

·         Menor expansión térmica y menor flecha.
·         Fuerza y durabilidad similar o superior a los conductores con Alma de Acero
·         Menor Peso
·   Comportamiento consistente a altas temperaturas (210°C operación continua y 240°C en emergencia) por largos periodos de tiempo.

Ventajas

 Debido a la baja densidad del compuesto, su peso es menor que el de los conductores convencionales.
 El coeficiente de dilatación del núcleo es mucho menor que el del acero, por lo tanto la flecha se reduce.
 Mejor comportamiento ante el efecto CREEP (fluencia).
 Se reducen los esfuerzos trasmitidos a las torres respecto a un conductor convencional de igual sección, lo que permite aumentar sección sin reforzar torres.
 El método de instalación es similar al convencional, solo que deberá tenerse cuidado de no doblar y romper las fibras del alma. Estimación de tiempo de instalación 10% superior el convencional.
 Buen comportamiento ante la corrosión.

Inconvenientes

 Tienen un costo elevado respecto a las demás tecnologías.
 Materiales diferentes a los convencionales por lo que se desconoce su comportamiento a largo plazo.

Propiedades de los conductores de alta capacidad (HTLS)

Tecnología
Temperatura de
Operación
Capacidad de
Transmisión
ACSR
90º C
1,0
TACSR
150º C
1,5
GTACSR
180º C
1,6
ACSS
200º C
1,9
ZTACIR
210º C
2,0





FUENTES:

Vicente Torns: Conductores desnudos
Reglamento sobre Líneas eléctricas de alta tensión: ITC LAT 07
3M: ACCR Conductor de alta capacidad
Endesa Distribución Eléctrica







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