Material de Clase LT1

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Enero 2013

Línea de Transmisión y Distribución

Línea de Transmisión: Es el conjunto de dispositivos utilizados para transportar o guiar la energíaeléctrica, desde una fuente de generación a los centros de consumo(carga).Es un sistema de conductores capaces de transmitir potencia eléctrica desde una fuente a una carga.

1) Componentes de las Líneas de Transmisión

a) Conductoresb) Aisladoresc) Estructurad) Cable de Guarda

2a) Conductores: Son todos los cuerpos capaces de conducir o transmitir la electricidad.

AWG (American wire gage o Brown and Sharpe Gage), fue ideada en 1857 por JR BrownEstas escalas de calibres de conductors son aproximaciones sucesivas del proceso de estirado delconductor.Estos calibres no se han escogido albitrariamente, sino que están relacionados con una Ley deprogresión geométrica, para diámetros intermedios. Se escogieron dos diámetro base 4/0 (0.4600 pulg.)y calibre 36 (0.0050 pulg.), entre ellos existen 39 dimensiones.

Expresión

= = 1.1229

El alambre de mayor grosor (AWG # bajo), es menos susceptible a las interferencias,

posee menos resistencia interna y por lo tanto, soporta mayores corrientes en distancias maslargas.

Circular Mil. Es el area de area del conductor en milésimas de pulgadas, donde unKCM=MCM=1000CM=0.506mm2 = 0.01’’

CM= d’’(1000) Estas medidas se usan para calibres mayores de AWG 4/0 KCM=MCM=(d’’*1000)π/4

Características de los conductores

AAC (All aluminum conductors)AAAC (ALL Aluminum alloy conductors)ACSR (Aluminum Conductos Steel Reinforced)

ACAR (El más usado en EEUU es ( ACAR)

*En Distribución

o 2 ACSRo 1/0 AAC

o 1/0 ACSRo 266.8 ACSRo 397.5 AAC



*En Línea de SubTransmision

o 266.8 KCM ACSR 26/7o 477 KCM ACSR 26/7

o 795 KCM ACSR de 26/7o 1113 KCM ACSR de 54/19

*En Línea de Transmisióno 795 KCM ACSR de 26/7o 1113 KCM ACSR de 54/19

Características de los Conductores

Resistencia Eléctrica (DC)

La principal causa de las pérdidas de energía en las líneas de transmisión es la resistenciade los conductores. Se entiende por tal resistencia, la llamada resistencia efectiva delconductor, cuyo valor en ohmios viene dado por:

que es algo diferente a la resistencia del conductor al paso de la corriente continua, que

tiene por expresión : R = Resistividad

234.5 para Cobre recocido 100% conductividad T= 241 para Cobre estirado en frio con 97.3% conductividad.

228 para el aluminio estirado en frio 61% conductividad

en donde es la resistividad, L la longitud y A la sección del conductor.Cuando circula corriente alterna por un conductor, las pérdidas de potencia y por tanto deenergía por resistencia es algo mayor que la pérdida que se produce cuando circula unacorriente continua de magnitud igual al valor eficaz de la corriente alterna. La densidad decorriente en los diferentes sectores de la sección transversal de un conductor es diferente amedida que la frecuencia va aumentando, efecto este denominado “Efecto Superficial”

En AC., se produce el efecto piel.

= Constante de penetración

= Permeabilidad del medio = 4πx10-7 H/m2

= 1/ (Conductividad)

: R



Efecto SuperficialEste efecto puede explicarse de la siguiente manera: Suponiendo que el conductor estácompuesto por una serie de filamentos paralelos al eje del conductor, todos de la mismasección y longitud, por tanto de la misma resistencia. Al circular corriente alterna, seproduce un flujo variable, que al cortar los filamentos de que se ha considerado estácompuesto el conductor, inducirá una fuerza electromotriz en cada filamento opuesta a ladiferencia de potencial aplicada entre los extremos del conductor. Los filamentos de laparte central se eslabonan con más líneas de inducción que los filamentos de la partesuperficial del conductor, por tanto la fuerza electromotriz inducida en los filamentoscentrales será mayor que la inducida en los filamentos superficiales.

Como la diferencia de potencial entre los extremos de todos los filamentos tienen que seriguales, ya que están conectados en paralelo, tendrá que verificarse que las caídas devoltaje en cada filamento sean iguales y por tanto las corrientes en los filamentos centrales,en los que la fuerza contra electromotriz inducida es mayor, tendrán que ser menores quelas corrientes en los filamentos superficiales, por tanto la densidad de corriente será mayoren la superficie del conductor que en el centro

Este fenómeno se conoce con varios nombres como: Efecto Piel, Efecto Superficial,Efecto Skin, Efecto Pelicular, Efecto Cortical o Efecto Kelvin

En la superficie del conductor ( z=0) la densidad de corriente J es igual a Jo, pero amedida que nos acercamos al interior del conductor, la densidad de corriente disminuyede forma exponencial.De la gráfica podemos definir la “distancia de penetración” λ como el valor en que seproduce una atenuación de 1/e, es decir, de un 63% del valor de la densidad

En algunos casos los fabricantes del Radio Medio Geométrico del conductor , toman

como referencia el ‘’Efecto Piel’’









Resistividad: es la oposición en mayor o menor grado del paso de la corriente

eléctrica.

Es el grado de dificultad que encuentra los electrones en su desplazamiento.

Conductividad: es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente

eléctrica a través de si. Conductancia:(G) es la inversa de la oposición que dicho conductor presenta al

movimiento de los electrones en su seno, esto es, a la inversa de su resistencia

eléctrica.(Siemens ‘’s’’).

Reactancia(X): es la oposición ofrecida al paso de la corriente alterna por

inductores (Bobinas) y (condensadores), se mide en ohmio.

Z= Impedancia

XL= wL= L(2π ) Z= R + JXL X= Reactancia(Parte imaginaria)

R= Resistencia

L= Inductancia

C= Capacitancia

Inductancia (L): es el campo magnético que crea una corriente eléctrica al

pasar a través de una bobina de hilo conductor enrollado alrededor de la misma

que conforma un inductor.

La inductancia va ha depender de la disposición.

d12 d13 L = Lint + Lext

d23 M=0= 4x10-7

(H/m)

Lint = = 1/2x10-7(H/m)



Lext =

L =

1/2x10-7

L = 2x10-7[ ¼] entonces, L =

– -1/4

Donde r ’ = re-1/4 (Radio medio Geométrico)

L =

Para una Línea de Transmisión con tres(3) conductores (3

ᵠ).L =

D =

m = 3 n = 2

Lext =

r’ = mm D =

mn

r’ =

D =

a

b c

a’

b’



Capacitancia: Es el resultado de la diferencia de potencial entre los conductores

que originan que estos se carguen de la misma forma.

C = q / va-b = π

/ ln(D/r) q= carga

Va-b = diferencia de potencial0= 8.85x10-12 Permeabilidad del aire

Campo eléctrico

E

r = radio del conductor

d = distancia para línea 3 fase

D =



TransposiciónCambio de la posición de los conductores de una línea con el objeto deestablecer una simetría eléctrica adecuada entre dichos conductores, entreestos y tierra o con relación a líneas vecinas.

La transposición de las líneas es la que valida el concepto de de Distancia MediaGeométrica (DMG).

a c b

b a c

c b a

l/3 l/3 l/3

Nota: La capacitancia intervienen en diseño de LT. Debido a los reactivos que se

producen.

Xc = 1/wc , y = 1/Xc , Q = U2 / Xc = U2y

Q = potencia Reactiva

Uso de tablas en los cálculos de XL y XC

XL =

(ohm/m)

Z = R + jXL r’ = RMG

ΔP = I2 R

ΔV = I Z

XL = (ohm/m)

Factor de espaciamiento

XL = (ohm/m)

Reactancia inductiva a 1 pie de espaciamiento

XL = 0.003f [ lnD + ln 1/r’ ]



XC =

(ohm/m)

XC =

(mxohmxkm) Efecto tierra.

XC =

]

h h’ =

ha’ = ha – 0.7f L

ha = altura de la fase ‘’a’’

tierra h’ L = flecha del conductor

Clasificación de las Líneas aéreas.

1) Categoría ‘’A’’ (1000V )

2) Categoría ‘’B” (25,000V )

3) Categoría ‘’c’’ (25,000V )

Distancia entre conductores y Estructuras.Tensión de Línea Distancia en centímetros (Cm)

Mas de 1,000v y hasta 10,000vEntre conductores

8

Para tensiones más elevadas 8 + 0.6 por cada 1,000v sobre los 10,000v

Nota: en caso de conductores suspendido en cadena de aisladores, las distancias anterioresdeberán mantenerse para la desviación máxima que se le puede esperar para la cadena. Ladesviación no será en ningún caso inferior caso inferior a 300 de la vertical.

Separación mínima entre conductoresSeparación en metros (m) Condición0.36 x v(f) + kV/ 130 + 0.5xC Conductores 33mm

2 o superiores con sobre carga de

hielo0.60 x v(f-0.6) + kV/ 130 + 0.5xC Conductores inferior a 33mm2 con sobre carga de hielo

0.2x v(f)+ kV/ 130 + 0.5xC Conductores 33mm2 o superiores sin sobre carga de

hielo

0.36 x v(f-0.6) + kV/ 130 + 0.5xC Conductores inferir a 33mm2 sin sobre carga de hielo

f = flecha en metros(m) , kV = tensión nominal entre conductoresC = longitud (metros) de la cadena de aisladores, si los aisladores son rígidos o cadena deanclaje C = 0



Distancias mínimas de conductores al suelo

Lugares

Distancia medida verticalmente en metros (m) Categoría ’’C’’ Categoría ‘’C’’ Categoría ‘’C’’

Entre

fase

Entre

neutro

Entre

fase

Entre

neutro

Entre fase

Regiones pocos transitable(montañas,praderas, curso de agua no navegable )

5 4.5 5.5 4.6 5+0.006 por kV

Región transitable(Localidades, camino,calles, plazas publicas)

5 5 6 5.5 6.5 + 0.006 por kV

Urbanizaciones(ciudades) 5.5 5.5 6 5.5 6.5 + 0.006 por kV

Distancia a Edificaciones existente.La separación entre un edificio o construcción y el conductor mas próximo de una línea aéreade cualquier categoría, deberá ser tal, que no exista peligro para las personas.

Línea de categoría ‘’A” 1.30m hasta 1kV

Línea de categoría ‘’B” 2.00m hasta 25kV Línea de categoría ‘’C” 2.50m + 1cm por cada kV de 26kV en adelante.

2b) Aisladores: Estos elementos tienen la finalidad de aislar el conductor de los

apoyos de soporte, su principal característica es de ser un buen dieléctrico, ya que su misiónfundamental, es evitar el paso de la corriente del conductor al apoyo.

Los Aisladores según el material de fabricación pueden ser de:

Vidrio, losa, porcelana, plásticos, caucho, Polímeros etc. Considerados buenos aislanteseléctricos.El voltaje de las LT es quien determina la cantidad de aisladores , estos deben de ser acoplablesy articulados.Los aisladores para estructura de anclaje y suspensión son iguales en cuanto a la forma ymaterial, solo lo diferencia la cantidad de discos aislantes.

df = distancia de fuga

U = 138kV ----df =1.5m---2m----- 6-8 aisladores

df = distancia de fuga U = 230kV ---- df = 2.5m---3m-----10-12 aisladores

U = 345kV ---- df = 3m --- 4m 14-16 aisladores



Los Aisladores según la forma:

AISLADORES DE CAMPANA, (también llamados de disco) generalmente varios forman unacadena, se hacen de vidrio o porcelana con insertos metálicos que los articulan con un gradode libertad (horquilla) o dos (caperuza y badajo, cap and pin). Las normas fijan con detalle

geometría, tamaños, resistencia electromecánica, ensayos.

AISLADORES DE BARRA, los hay de porcelana, permiten realizar cadenas de menor cantidadde elementos (más cortas), la porcelana trabaja a tracción y existen pocos fabricantes queofrecen esta solución, especialmente si se requieren elevadas prestaciones, ya que no es unasolución natural para este material, en cambio es la solución natural de los aisladores desuspensión compuestos.

Mientras que para la porcelana se limita la longitud de la barra y en consecuencia paratensiones elevadas se forma una cadena de algunos elementos, para el aislador compuestosiempre se realiza un único elemento capaz de soportar la tensión total.

AISLADORES RIGIDOS, en tensiones bajas y medias tienen forma de campana, montadossobre un perno (pin type) y se realizan de porcelana o vidrio. A medida que la tensión crece,tamaño y esfuerzos también, y se transforman en aisladores de columna aptos para soportaresfuerzos de compresión y de flexión (post type) y pueden asumir la función de cruceta enlíneas de diseño compacto.

En estos casos pueden ser de porcelana y modernamente de materiales compuestos, cuandoel esfuerzo vertical a que se somete la "viga" aislante es muy elevado se agrega un tensor delmismo material (inclinado 45 grados generalmente) dando origen a una forma de V horizontal.

Los aisladores se completan, como ya indicado, con insertos metálicos de formas estudiadaspara la función, y que tienden a conferir movilidad (en las cadenas) o adecuada rigidez (en lascolumnas).

Al especificar los aisladores se resaltan dos tipos de características, que deben combinar porsu función, las mecánicas, y las eléctricas.

CARACTERISTICAS MECANICAS

Los aisladores de cadena deben soportar solo cierta tracción 7000, 16000 o más kg. Debensoportar cierta compresión, y/o cierta flexión.

Al estar sometidos a las inclemencias del tiempo una característica muy importante es laresistencia al choque térmico (que simula el pasar del pleno sol a la lluvia).

También por los sitios donde se instalan, los aisladores son sometidos a actos vandálicos (tiroscon armas, proyectiles pétreos o metálicos arrojados), es entonces importante cierta resistenciaal impacto.Frente a estas necesidades, el comportamiento de los tres tipos de materiales es totalmentedistinto, el vidrio puede estallar, siendo una característica muy importante que la cadena no secorte por este motivo. La porcelana se rompe perdiendo algún trozo pero generalmentemantiene la integridad de su cuerpo, mecánicamente no pierde características, solo sonafectadas sus características eléctricas. Con los aisladores compuestos por su menor tamañoes menos probable que la agresión acierte el blanco, los materiales flexibles no se rompen por



los impactos y las características del aislador no son afectadas.

CARACTERISTICAS ELECTRICAS

Los aisladores deben soportar tensión de frecuencia industrial e impulso (de maniobra y/oatmosféricos), tanto en seco como bajo lluvia. Influyen en la tensión resistida la forma de loselectrodos extremos del aislador.

Una característica importante es la radio-interferencia, ligada a la forma del aislador, a suterminación superficial, y a los electrodos (morsetería).

En las cadenas de aisladores, especialmente cuando el número de elementos es elevado larepartición de la tensión debe ser controlada con electrodos adecuados, o al menoscuidadosamente estudiada a fin de verificar que en el extremo crítico las necesidades que sepresentan sean correctamente soportadas.

La geometría del perfil de los aisladores tiene mucha importancia en su buen comportamientoen condiciones normales, bajo lluvia, y en condiciones de contaminación salina que sepresentan en las aplicaciones reales cerca del mar o desiertos, o contaminación de polvoscerca de zonas industriales. La contaminación puede ser lavada por la lluvia, pero en ciertoslugares no llueve suficiente para que se produzca este efecto beneficioso, o la contaminaciónes muy elevada, no hay duda de que la terminación superficial del aislante es muy importantepara que la adherencia del contaminante sea menor, y reducir el efecto (aumentar la duración).

Una característica interesante de los materiales compuestos siliconados es un cierto rechazo a laadherencia de los contaminantes, y/o al agua.

La resistencia a la contaminación exige aumentar la línea de fuga superficial del aislador, estase mide en mm/kv (fase tierra), y se recomiendan valores que pasan de 20, 30 a 60, 70 mm/kv

según la clasificación de la posible contaminación ambiente.

Aisladores en cadenas

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



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.



Campana (discos ), este elemento está constituido por un núcleo cilíndrico de porcelana de diámetrocomprendido entre 60 y 85 mm., y provisto de dos faldas anchas. La unión de los aisladores campanaentre sí se hace con un pequeño vástago cilíndrico terminado en dos rótulas (figura 1.9). La diferenciaesencial entre el aislador campana y el elemento caperuza-vástago, reside en el hecho de que el primeroes 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 yacciones eléctricas.

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

2C) Estructuras SoportesEstas deben mantener los conductores a suficiente altura sobre tierra y distanciados entre sí. En la partemás alta de la torre, se ponen conductores desnudos, llamados de guarda, que sirven para apantallar lalínea e interceptar los rayos antes que alcancen los conductores activos situados debajo. Estos noconducen corriente alguna, por lo que normalmente se hacen de acero y se conectan solidariamente atierra en cada torre. Las torres se conectan solidariamente a tierra, tomándose grandes precaucionespara 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 losesfuerzos, 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 lastorres. Resisten las cargas verticales de todos los conductores (también los cables de guarda), y la accióndel viento transversal a la línea, tanto sobre conductores como sobre la misma torre. No estándiseñadas para soportar esfuerzos laterales debidos al tiro de los conductores, por lo que se instalan en

tramos rectos.



Torre de suspensión de doble terna

Estructuras de retención

Son para los lugares en donde la línea debe soportar esfuerzos laterales, producto del cambio dedirección 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 soportarfundamentalmente el tiro de todos los conductores de un solo lado, y en general es la estructura máspesada de la línea.

Angular.

Se ubica en los vértices cuando hay cambio de dirección de la línea, la carga más importante quesoporta 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 caídaen cascada (dominó) de las estructuras de suspensión, y para facilitar el tendido cuando los tramosrectilíneos 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.



Torre de retención angular

Respecto de los esfuerzos, puede decirse que las estructuras de la línea resisten en general tres tipos deesfuerzos 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 enzonas de difícil acceso en algunos casos se emplea el aluminio.







2d) Cable de guardaEs aquel utilizado para proteger la línea contra descargas atmosférica, este

puedes estas compuesto de acero puro de alta resistencia o compuesto en el

interior por fibra óptica. Este cable de guarda con fibra óptica tanto puede ser

usado por las empresas eléctrica como las de comunicaciones.

Ubicación del cable de guarda, Generalmente se coloca en la parte superior de

las torres o canastillo, según la forma y construcción pueden tener uno o dos

cables. Ver gráficos anteriores.

H

300



Clasificación de las Líneas de Transmisión

Según sus Instalaciones

- Baja Tensión hasta 1,000v

- Media Tensión desde 1,001v hasta 35,000v

- Alta Tensión desde 35,001v hasta 300,000v

- Extra Alta Tensión desde 300,001v a 750,000v

Según la condición de operación

- Generación 13,800v = 13.8kV

- Transmisión 138kV, 154kv, 220kv, 345kv.

- Sub Transmisión 36kV, 69kV, 110kV.

- Distribution 4.2kV, 12.47kV, 35kV.

Según la relación de tensión y longitud

- 40km Línea Corta otro autor < 80km

40kV >U

- 40km <<<250km Línea Media 80km – 220km

40kV <U<=250kV

- L > 250km Línea Larga > 220km

U > 250kV



Representación de los L.T.

Circuitos equivalentes UG= Tensión Generación

Linea Corta UC= Tensión Carga

Linea Media tipo Pi (π)



Linea Media tipo (T)



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