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.
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.
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
Excelente blog. Gracias por la información proporcionada.
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