METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE LA RED DE TIERRAS DE …

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALMETODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE LA RED DE TIERRAS DE
TORRES DE TRANSMISIÓN DE 400kV.
TESIS. QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIÉRO ELECTRICISTA
PRESENTAN.
C. JOSE FRANCISCO MARTINEZ FRIAS. C. MARIO ALBERTO SÁNCHEZ CHOREÑO. C. NAHUM JUNIOR HERNÁNDEZ MONTALVO.
ASESORES:
UNIDAD PROFESIONAL " ADOLFO LOPEZ MA TEOS"
TEMA DE TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE POR LA OPCION DE TITULACION DEBERA(N) DESARROLLAR
INGENIERO ELECTRICIST A
TESIS COLECTIV A Y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL
C. NAHUM JUNIOR HERNANDEZ MONTALVO. C. JOSE FRANCISCO MARTINEZ FRIAS. C. MARIO ALBERTO SANCHEZ CHORENO
"METODOLOGIA PARA EL DISENO DE LA RED DE TIERRAS DE TORRES DE TRANSMISION DE 400 kV"
CONOCER Y APLICAR LOS CRITERIOS NECESARIOS PARA EL DISENO DE LA RED DE TIERRAS PARA ESTRUCTURAS DE LINEAS DE TRANSMISION DE ACUERDO A LA NORMATIVIDAD VIGENTE.
:Y GENERALIDADES.
? DISENO DE LA RED DE TIERRAS CONVENCIONAL.
MEXICO D. F., 27 DE SEPTIEMBRE 201 1.
ASESORES
lNG. EFREN VITELA ARTEAGA.
METOLOGIA PARA EL DISEÑO DE LA RED DE TIERRAS DE TORRES DE TRANSMISIÓN DE 400 kV.
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Índice.
Página. Objetivo. 4. Justificación. 5. Introducción. 6.
Capitulo 1. Generalidades Sistema de Tierras. 7. Tipos de Suelo y su Resistividad. 8. Resistividad del Suelo. 8. Sales Solubles y su Concentración. 9. Estado Higrométrico del Terreno. 9. Temperatura. 9. Granulometría. 9. Compacidad. 10. Estratigrafía. 10. Tipos de Suelo y Rocas. 11. Contenido de Humedad y Sales. 12. El Tamaño del Grano y su Distribución. 12. Cimentaciones. 12. Aisladores. 13. Herrajes. 19. Descargas Atmosféricas. 22. La Influencia del Impacto del Rayo en el Hilo de Guarda. 23. Conductores. 23. Cable de Guarda. 24. Pararrayos. 25. Arreglo de Mallas de la Red de Tierras. 26. Protección contra la Corrosión por Efecto Galvánico. 27. Ánodos Galvánicos (Sacrificio). 27. Protección Catódica. 28. Principales Elementos Constitutivos de una Línea de Transmisión. 28. Diseño Preliminar del Sistema de Puesta a Tierra. 28. Electrodos de Puesta a Tierra; Dimensiones. 28. Tensiones. 29. Derecho de Vía. 30. Eje del Trazo Topográfico. 30. Claro. 30. Claro Medio Horizontal o Claro de Viento de una Estructura. 30. Línea Aérea. 30. Zona Urbana. 31. Zona Rural. 31. Tipos de Derecho de Vía. 31. Derecho de Vía en Terrenos: Plano y Montañoso. 32. Señalización de las Líneas de Transmisión Aéreas, Tráfico Aéreo y Navegación. 33. Señalización de Estructuras y Cables de Líneas de Transmisión en las proximidades de aeropuertos, ríos lagos y mares. 34. Cables. 35.
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CAPITULO II. TIPOS DE ESTRUCTURAS. Transporte de la Energía Eléctrica por Medio de Corriente Alterna. 36. Torres para líneas de transporte. 37. Tipos de estructuras. (Torres), utilizadas en México. 38. Torres Autosoportadas de celosía. 38. Torres de Remate. 39. Torres de Transposición. 39. Torres Autosoportadas del tipo tubular. 39. Torres con accesorios de retenidas. 39.
CAPÍTULO III. MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO. Medición de la resistividad del suelo y resistencia eléctrica en líneas aéreas en construcción. 40. Medición de la resistividad del suelo en líneas aéreas para el diseño de la red de tierras. 40. Medición de la resistividad del suelo y resistencia eléctrica en líneas aéreas en operación. 41. Método de Schlumberger. 42. Medición de la resistencia eléctrica de la red de tierras. 43. Medición de la resistencia con resistividad del suelo de 100 -m. 44. Medición de la resistencia con resistividad del suelo mayor a 100 -m. 44. Apéndice A. 44. Apéndice B. 48. Apéndice C. 50. Apéndice D. 51. Apéndice E. 52.
CAPITULO IV. Procedimiento para el diseño de la red de tierras convencional. Diseño de redes de tierra convencional. 54. Resistencia de los elementos básicos. Electrodo vertical. 54. Contra-Antena (Electrodo Horizontal). 55. Patas de la torre o estructuras. 55. Cimentación de acero. 55. Cimentación en concreto. 56. Cálculo de los electrodos adicionales a las patas de las torres. 57. Longitud efectiva de contra-antena ante descargas atmosféricas. 62. Mantenimiento de las redes de tierra convencionales; actividades. 63. Método de corrección. 63. Material a utilizar. 64. Glosario. 93. Conclusión. 97. Bibliografía. 98.
Anexos. Anexo 1 Torres y sus Características. (Continuación del Capítulo II). 65. Anexo 2 Formatos para Medición. 88. Anexo 3 Figuras y Tablas. 91.
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OBJETIVO.
Aplicar un procedimiento para el diseño de la red de tierras, conocer los criterios necesarios para implementarlo en estructuras de torres de transmisión de 400 kV, todo dentro de los márgenes de la normatividad vigente, a fin de cumplir un fin principal, el de proteger, salvaguardar la integridad física de las personas además de no interrumpir la calidad y servicio del Sistema Eléctrico Nacional.
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JUSTIFICACIÓN. El mantener y proteger las estructuras de líneas de Transmisión, en óptimas condiciones de operación son la justificación de la presente tesis así como proponer un cálculo de la red de tierra basado en la normatividad vigente ya que no hay uno sólido, solo práctico y en base a subestaciones. Basándonos en cálculos ya hechos, proponemos el procedimiento de una red de tierras para estructuras de líneas de transmisión de 400 kV. Todos los equipos que conforman el Sistema Eléctrico Nacional (SEN), están sujetas a una serie de perturbaciones naturales o extraordinarias, que ponen en riesgo su operación y por ende la continuidad del suministro eléctrico.
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INTRODUCCIÓN.
En esta tesis hablaremos del diseño y proyecto de las instalaciones eléctricas
destinadas a las torres de transmisión, una de las mayores preocupaciones de los
ingenieros de diseño ha sido cómo conectar a tierra los equipos eléctricos de una
manera segura, eficiente y apropiada.
Este problema existe en todos los campos de la Ingeniería Eléctrica, desde las
bajas corrientes a tierra de los equipos electrónicos de estado sólido, hasta las
altas corrientes a tierra de las grandes subestaciones en alta tensión.
A causa de las altas corrientes de falla disponibles hoy en día, es esencial un buen
sistema de tierras en todas las partes del sistema eléctrico, ya sea en
subestaciones, líneas de transmisión o distribución o en equipos de baja tensión.
En las torres de transmisión, uno de los aspectos principales para la protección
contra las sobretensiones, ya sean de origen interno o externo, es el de disponer
de un adecuado sistema de tierras al cual se conecten los neutros de los equipos
eléctricos y todas aquellas partes metálicas que deben estar a potencial de tierra.
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CAPITULO 1 Generalidades.
A continuación se detallan los principales aspectos a considerar, los cuales se deben tomar en cuenta cuando se diseña un sistema de tierras.
Sistema de tierras. Un sistema de tierras es un conjunto de conductores, electrodos, accesorios, etc. Que interconectados eficazmente entre sí tienen por objeto conectar a tierra las cubiertas y otras partes metálicas de los equipos, así como aquellos elementos de los circuitos que lo requieran.
La unión eléctrica con la tierra de una parte de un circuito eléctrico o de una parte conductora no perteneciente al mismo, se efectúa mediante la instalación de una puesta a tierra, es decir “es el conjunto formado por electrodos y líneas de tierra de una instalación eléctrica.
La red de puesta a tierra estará constituida por uno o varios electrodos enterrados, por las líneas de tierra que conectan dichos electrodos a los electrodos del circuito intencionalmente puesto a tierra.
Para cumplir con las especificaciones mínimas para un sistema de tierra, se deben tomar en cuenta las siguientes características.
La malla debe estar constituida por cables de forma paralela y perpendicularmente, con un espaciamiento adecuado a la resistividad del terreno y preferentemente formando retículas cuadradas.
Los cables que forman la malla deben colocarse preferentemente a lo largo de las hileras de estructuras y equipos.
En cada cruce de conductores de la malla estos deben conectarse rígidamente entre si y en los puntos adecuados conectarse a electrodos de tierra clavados verticalmente. Donde sea posible, construir registros en los mismos puntos y como mínimos en los vértices de la malla. La función principal del sistema de tierras. La importancia principal radica en proteger la vida humana contra los riesgos naturales que representa el uso y suministro de energía eléctrica.
En forma simplificada se pueden mencionar como problemas comunes en los sistemas de tierras los siguientes.
Altas tensiones transitorias. Descargas electrostáticas. Ruido en los sistemas electrónicos.
Sin embargo existen otras funciones también importantes a considerar:
1. Reducir al mínimo los daños al equipo y por consiguiente aumentar la confiabilidad, disponibilidad del servicio.
2. Minimizar las inducciones electromagnéticas radiadas e inducidas.
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3. Aumentar la tolerancia a las descargas electrostáticas causadas por descargas atmosféricas.
Los sistemas de tierras se componen de los elementos que van enterrados directamente, en contacto directo con el suelo, el cual por lo general esta húmedo, estos elementos se ven atacados por la corrosión.
Así es común encontrar redes de tierras que no funcionen en forma adecuada porque algunos de sus elementos se han corroído. Entre los casos más comunes donde se presenta la corrosión están, lugares donde se rectifica la corriente, como centros de cómputo, trolebuses, etc. lugares cercanos a aguas residuales, ya que a esta agua se le agregan substancias químicas que atacan a los metales y al cobre, sin embargo, un metal enterrado tiende a corroerse con el transcurso del tiempo.
Tipos de suelo y su resistividad. En los sistemas de tierra con neutro a tierra el suelo se comporta como un conductor, más aun, en los sistemas denominados SWER (sistema de hilo retorno por tierra), el suelo es “n” conductor, las características del suelo son tan diferentes en este aspecto, que hay suelos que no conducen la electricidad, es decir, son aislante, por otro lado hay suelos que son buenos conductores de la electricidad como suelos húmedos. Para conocer que tan buen conductor de la electricidad es el suelo, es necesario conocer su resistividad o resistencia especifica, las rocas, la arena y suelos secos tienen una alta resistividad es decir, no conduce la electricidad, los suelos con alto contenido de humedad tienen baja resistividad.
Resistividad del suelo. La resistividad también conocida como resistencia especifica, es la propiedad que tiene el suelo para conducir electricidad, la cual está determinada por el tipo de suelo, el contenido de humedad del mismo, su composición química y la temperatura entre otros factores.
La resistividad se mide en ohm-metro, ohm-centímetro, etc. Existen dos formas para determinarla, una es empírica mediante tabulación y conocimiento del terreno y otra efectuando la medición directamente en el terreno.
La resistividad del suelo se puede clasificar de la manera siguiente.
Tipo de Suelo Resistividad [-m]
Tierra orgánica húmeda 10
Roca 5700
Tabla 1.1 Resistividad del suelo. Las zonas superficiales en las que se instalan las redes de tierra tampoco son uniformes y, además, están afectadas fuertemente por los cambios climatológicos, lluvias y heladas. Todo ello hace que la resistividad sea muy variable de un lugar a otro y pueda resumirse en que la modifican, de manera muy notable, los siguientes factores del terreno:
La composición. Las sales solubles y las concentraciones. El estado higrométrico.
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La temperatura. La granulometría. La compacidad. La estratigrafía.
Si bien los componentes más importantes del terreno son, en estado seco, aislante (la sílice, el oxido de aluminio, etc.), su resistividad disminuye rápidamente en presencia de sales solubles y de la humedad.
NOTA. El óxido de silicio (IV) o dióxido de silicio (SiO2) es un compuesto de silicio y oxígeno, llamado comúnmente sílice. Es uno de los componentes de la arena. Una de las formas en que aparece naturalmente es el cuarzo.
Por otro lado, la composición de la tierra, incluso en un lugar determinado, es muy heterogénea, presentándose capas, bolas, depósitos, etc.
Sales solubles y su concentración. Al ser aislantes los principales componentes del terreno, la conductividad del suelo es esencialmente de naturaleza electrolítica, esto es, la conducción de corriente tiene lugar, principalmente a través de electrolito formado por sales y el agua habitualmente contenida en el terreno.
Estado higrométrico del terreno. El contenido de agua y grado de humedad del terreno influye, de forma apreciable sobre su resistividad. Su valor no es constante, ya que varia con el clima, época del año, naturaleza del subsuelo, la profundidad considerada y la situación del nivel freático pero rara vez es nulo, incluso al referirse a zonas desérticas, es decir cuando la humedad del terreno varié considerablemente de unas épocas del año a otras, se tendrá en cuenta esta circunstancia al dimensionar y establecer el sistema de tierra. Se puede usar recubrimientos de gravas para conservar la humedad del suelo.
Temperatura. La resistividad del terreno aumenta a medida que desciende la temperatura y al alcanzarse los cero grados centígrados, hasta el punto que a medida que es mayor la cantidad de agua en estado de congelación se va reduciendo el movimiento de los electrolitos, es decir: “al alcanzar el suelo temperaturas inferiores a los cero grados centígrados aumenta mucho su resistividad. Por ello en zonas con peligro de heladas los electrodos se entierran a una profundidad que no alcance esa temperatura o se tendrá en cuenta esta circunstancia en el cálculo.” Se deberá tener presente la influencia de las heladas para determinar la profundidad de la instalación de los electrodos.
Granulometría. Es un elemento importante que influye a la vez sobre la porosidad y el poder retenedor de humedad y también sobre la calidad de contacto con los electrodos, esta es la razón de que el valor de la resistividad de la grava sea superior al correspondiente a la arena y que el de esta supere al de la arcilla.
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Los suelos de grano grueso (grava, guijarros, etc.) se prestan mal al establecimiento de buenas redes de tierra, circunstancia que se puede paliar rodeando la superficie de los electrodos de un cierto espesor de tierra fina o de otro material relativamente conductor.
Compacidad. La resistividad se ve también afectada por el grano (grava) de compactación del terreno, disminuyendo al aumenta este, es decir.
“se procura utilizar las capas de tierra mas conductoras, haciéndose la colocación de electrodos con el mayor cuidado posible en cuanto a la compactación del terreno.
Estratigrafía. La resistividad total de un terreno es la resultante de las correspondientes a las diversas capas que lo constituyen, que la resistividad de las capas superficiales de un terreno presente variaciones estacionales bajo el efecto del hielo y la resequedad (que la aumentan) o de la humedad (que la disminuye), esta acción puede hacerse notar hasta una profundidad de varios metros en condiciones climáticas extremas y prolongadas.
Por lo tanto se debe tener en cuenta variaciones de resistividad del terreno en el establecimiento de una red de tierras enterradas a una profundidad del orden de un metro.
A continuación se muestran tablas (1.1 y 1.2) en donde se especifica el valor medio de la resistividad en -m para diferentes tipos de terrenos.
Naturaleza del terreno Valor de la resistividad [-m].
Terrenos cultivables y fértiles, terraplenes compactos y húmedos.
50
Suelo pedregosos desnudos, arenas secas permeables.
3000
Tabla 1.2 Valor medio de la resistividad -m.
Naturaleza del terreno Resistividad en [-m]. [*valor inicial de algunas unidades]
Terrenos pantanosos * a 30
Limo 20 a 100
Humus 10 a 150
Arcilla plástica * a 50
Margas del jurasico 30 a 200
Arena arcillosa 50 a 500
Arena silícea 200 a 3000
Suelo pedregoso cubierto de césped 300 a 500
Suelo pedregoso desnudo 1500 a 3000
Calizas blandas 100 a 300
Calizas compactadas 1000 a 5000
Calizas agrietadas 500 a 1000
Pizarras 50 a 300
Granitos y gres procedentes de alteración 1500 a 10000
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Hormigón 2000 a 3000
Balasto o grava 3000 a 5000
Tabla 1.3 características de terrenos y valores resistivos -m. La variación de la resistividad según la composición del terreno es causa de la dificultad de que las diferentes clases de terreno no están delimitadas como para saber, de antemano, el valor de la resistividad en el punto elegido para efectuar la toma de tierra.
Los valores extremos que se encuentran en la práctica pueden variar en algunas decenas de -m, para terrenos orgánicos y húmedos a una decena de miles de -m para granitos secos.
Tipo de suelo y rocas. En la Ciudad de México en general el suelo es muy heterogéneo, teniendo zonas localizadas como: roca en el sur, tepetate y arena en el poniente, tierra húmeda en el oriente, roca o tepetate en el norte, etc.
Sin embargo no tenemos un mapa con el tipo de terreno bien definido y el tipo de suelo puede cambiar de características en unos cuantos metros de separación.
a) Roca volcánica.
Este tipo de roca es el resultado del producto de erupciones y se encuentra sobre todo en formaciones montañosas, la Ciudad de México se encuentra dentro del cinturón volcánico mexicano, por lo cual existen zonas este tipo de rocas.
b) Roca sedimentada.
Este tipo de roca se formo con la sedimentación de sales y no necesariamente se encuentra en el fondo de los mares, ya que algunas montañas han emergido y este tipo de rocas se pueden encontrar en el Estado de México, por ejemplo el cerro del Tenayo que está compuesto por roca roja.
c) Roca metamórfica.
Está formada por la composición de roca volcánica y roca sedimentaria que se fue mezclando a través de lluvias y el tiempo climatológico de la zona.
d) Tepetate.
El tepetate (que en náhuatl significa “cama de piedra”) está considerado como una roca, aunque no entra en la clasificación anterior, se formo de la sedimentación de las cenizas volcánicas, y en realidad es una arcilla pero que con el calor excesivo de las erupciones se convirtió en piedra. El tepetate se encuentra en la zona denominada el cinturón de México. Su principal característica es su dureza al impacto o a la perforación, verificando un trabajo consistente de colocar 12 varillas a tierra igual número de 3 tres juegos de Apartarrayos, en un alimentador de 23 kV que va por zona compuesta de tepetate.
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Cabe mencionar que el tepetate al estar formado de arcilla, es un buen conductor de electricidad, sin embargo dado que su dureza al enterrar la varilla se puede decir que es casi imposible por las propiedades del tepetate, pero se puede cortar la varilla y efectuar una perforación previa para después introducir la varilla a tierra.
e) Arena.
La arena es muy mala conductora de la electricidad por dos razones, la primera que no retiene humedad y por regla general está muy seca, la segunda tiene muchos huecos que ocupan el aire.
f) Relleno sanitario.
El material de relleno sanitario por regla general lleva material orgánico, el cual desaparece con el tiempo, dejando grandes huecos, también lleva pedazos de tabique y piedras, por lo que su resistividad no es confiable, característica que se debe tener en cuenta para el diseño de la red de tierras
Contenido de humedad y sales. Estos aspectos son el más importante para que un suelo sea conductor de la electricidad y el por ciento de agua del suelo depende del contenido de arcilla, material orgánico, clima, lugar, época del año, etc.
La arena no retiene la humedad y como resultado tiene una resistividad muy alta, las arcillas retienen la humedad y son conductores de la electricidad, por ejemplo el caso de la bentonita, que es una arcilla que retiene agua y varía su volumen.
El agua con alto contenido de sales es buena conductora de la electricidad, por el contrario el agua sin sales (agua destilada) es poco conductora por lo que se puede decir que entre mayor contenido de sales tenga el suelo húmedo mayor conducción de electricidad tendrá.
El tamaño del grano y su distribución. El tamaño del grano y su distribución es importante en la conducción eléctrica ya que si se tienen granos con grandes espacios se reduce el área de contacto mientras que si se tienen granos con diferentes tamaños los espacios son pequeños y aumenta el área de contacto. Por ejemplo las rocas no tienen espacios y el agua no penetra lo que le da una alta resistividad, siempre que no tenga alto contenido partículas metálicas.
Cimentaciones. Para que cualquier estructura sea segura y trabaje correctamente debe contar con una cimentación adecuada.
La construcción de una cimentación es muchas veces el trabajo más difícil de todo los que se realizan en la obra.
Debe de resistir el propio peso de la estructura, la acción del viento sobre los cables y la estructura así como algunas otras acciones posibles como ruptura de cables o hielo. Se debe de identificar la magnitud y la forma en que los elementos mecánicos son transmitidos por la estructura al suelo de la cimentación.
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Las torres transmiten las cargas a la cimentación mediante cuatro patas, dos de ellas trabajan a compresión y las otras dos a tensión, existen también fuerzas horizontales, transversales y/o longitudinales.
Para las cimentaciones que trabajan a compresión se requiere el conocimiento de la capacidad de carga del terreno donde se apoyan, en las cimentaciones que trabajan se requiere conocer la resistencia al arrancamiento de los rellenos.
Las cimentaciones para torres de transmisión, dependiendo de la capacidad de carga del terreno, pueden ser superficiales o profundas y deben quedar definidas en el estudio geotécnico. Existen diferentes tipos de cimentaciones como se acaba de mencionar anteriormente los cuales son:
a) Cimentaciones superficiales. Este tipo de cimentaciones se debe emplear, zapatas aisladas o corridas, zapatas aisladas ligadas con contra trabes, losas de cimentación o pilotes anclados en rocas, todas deben ser de concreto reforzado; también se incluyen en este peso muerto de anclaje para retenidas, en ningún caso estas estructuras se deben desplantar sobre tierra vegetal, suelos o rellenos sueltos o desechos.
b) Pilotes apoyados en roca. Este tipo de cimentación consiste en una estructura en forma de pirámide truncada, cuyas dimensiones de su base resultan ser reducidas en comparación de las zapatas. Se emplean en terrenos rocosos donde la capacidad de carga admisible es mayor a 294.3 kPa.
Es decir, tanto el efecto de arrancamiento como el de volteo en las patas trabajando a tensión, deben tomarse mediante anclas colocadas en la roca.
La altura mínima del pilote debe ser de 10 m y dependiendo de la longitud del dado (stub) o de las anclas si la torre se conecta con placas de base, las anclas colocadas en la roca deben ser de varilla corrugada con diámetro mínimo de 25.4 milímetros y se debe colocar en barrenos no menores de 50.8 milímetros de diámetro. El espacio entre el ancla y la pared del barreno se debe de rellenar con mortero de cemento, agregando un aditivo expansor para garantizar la adherencia. En todo caso se deben seguir las especificaciones del estudio geotécnico.
Aisladores. Los aisladores para líneas de transmisión, son elementos esenciales en todo el sistema eléctrico, los aisladores constituyen el punto mecánico de soporte de los conductores en las torres, cumpliendo con la función de proporcionar el aislamiento requerido, entre conductores y estructura esto es de acuerdo con la distancia dieléctrica en el aire, normalmente los aisladores para líneas de transmisión son de vidrio templado o de porcelana.
La función de los aisladores es de sujetar de la torre por medio de herrajes convenientes, a los conductores de fase, asegurando de esta manera el aislamiento eléctrico entre las partes energizadas y las no energizadas.
La característica de funcionamiento de una línea de transmisión depende de gran parte de sus aisladores.
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Figura 1.1 Vista de un aislador.
Si se consideraba antes que los aisladores limitarían las tensiones de transporte era porque el aislador de espiga había llegado prácticamente al límite de tamaño, de peso y de costo. Mediante los aisladores suspendidos se a cuadriplicado este límite de la tensión de transporte con respecto a la que permitirán los aisladores de espiga.
El aislador debe de tener no solamente la suficiente resistencia mecánica para soportar las cargas máximas debidas al hielo y al viento que pueden esperarse racionalmente, sino que también deben resistir esfuerzos mecánicos anormales, descargas atmosféricas y sobre tensiones internas, sin que se desprenda el conductor que sostiene, están hechos de manera que la lluvia elimine el polvo y la suciedad.
Los aisladores además de cumplir con las condiciones electromecánicas, deben cumplir aspectos tales como: facilidades de mantenimiento, características estáticas, etc. Los aisladores están constituidos principalmente de dos piezas, una parte aislante (vidrio o porcelana según sea el caso) y dos piezas acopladas a las partes del aislante.
El vidrio es conveniente para líneas de transmisión construcción ligera, tales como las telefónicas o las de transporte a tensión media; cuando las tensiones llegan hasta 10 kV ó 15 kV ofrecen la ventaja de su precio reducido y de que se descubren fácilmente sus defectos y rotulas. Por el contrario son higroscópicos (medición de la humedad en el aire) y se rompen con facilidad, en este caso solamente se pueden emplear los aisladores de vidrio de alta calidad, resistentes al calor, como el pirex para las líneas de alta tensión. La porcelana tiene excelentes características mecánicas y eléctricas, pero es más cara que el vidrio, los defectos internos son invisibles y las grietas producen la rápida destrucción del aislador, la porcelana es el principal material empleado para aisladores de líneas de alta tensión.
Los aisladores como se hizo mención son de vidrio templado y porcelana, pero también se pueden clasificar por su tipo de acoplamiento y por su tipo de aplicación. Por su tipo de acoplamiento:
Horquilla y ojo anular. Clavera y bola.
Por su aplicación
Normal. Corrosión. Contaminación.
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Ejemplos de los diferentes tipos de accesorio para las líneas de transmisión:
Figura 1.2 Perno de ojo.
CARACTERÍSTICAS DEL PERNO DE OJO
Material, forma y acabado. Acero alta resistencia forjado de 15,9 mm de diámetro.
Especificación general a cumplir. CFE 20000-01 Herrajes y Accesorios.
Uso. Sujetar aislamiento a la estructura en redes eléctricas.
Masa aproximada. 0,680 Kg.
Accesorios. 2 tuercas hexagonales, chaveta de 4,7 X 31,7 mm. 2 rondanas de presión de acero galvanizado.
Abreviaturas en la descripción corta 1 = Numero de identificación. P = Perno. O = Ojo.
Unidad. Pieza.
Empaque Tipo. Atado (fleje de acero galvanizado inoxidable o plastificado).
Cantidad 10 piezas.
Numero de lote y año de fabricación.
Tabla 1.4 Características del perno de ojo.
Figura 1.3 Horquilla y bola larga.
CARACTERÍSTICAS DE LA HORQUILLA Y BOLA LARGA
Material, forma y acabado. Acero forjado y galvanizado Holgura entre tuerca y horquilla de 2 mm
Especificación general. CFE-20000-01 2 Herrajes para líneas y tensión de transmisión.
Uso. En todos los conjuntos de suspensión de 1 y 2 conductores por fase.
Accesorios. Chaveta tipo R de acero inoxidable o bronce.
Tabla 1.5 Características de la Horquilla y Bola Larga.
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Distancia mínima de flameo en seco. (mm)
140 x 222 356 165
Eléctricas.
(kV)
Tensión critica de flameo al
impulso positivo (kV)
impulso negativo (kV)
Tabla 1.6 Características del Aislador 13PD. MECÁNICAS Resistencia al cantiléver = 12,5 kN.
De radio interferencia. Tensión de prueba a baja frecuencia (RMS a tierra) KV
Tensión máxima de radio interferencia 1000 kHz mV
15 100
Material y acabado. Cuerpo de porcelana, base metálica con galvanizado especial.
Accesorios. Perno de acero de alta resistencia, tuerca, arandela plana y de presión, galvanizado especial.
Uso. Soporta y aísla conductores aéreos en zonas de alta densidad de descargas atmosféricas.
Descripción corta. Aislador 13PD
13 = tensión nominal. D = descargas atmosféricas., P = Poste
Tabla 1.7 Características Mecánicas del Aislador 13PD.
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Figura 1.5 Aislador de suspensión de porcelana o de vidrio templado.
Características.
Dimensiones.
152 X 140 178
(kV)
60 30 100 100 80
Tabla 1.8 Características de Aislador de suspensión de porcelana o de vidrio templado.
Mecánicas.
Resistencia al impacto. N-cm. (kgf-cm.)
Resistencia a la tensión durante 3 s en N (kgf) 1
Resistencia de carga sostenida tiempo N (kgf)
44500(4536) 500(52) 22200(2268) 26700(2722)
Tensión de prueba a baja frecuencia (RMS a tierra) kV
Tensión máxima 1000 kHz uV
7.58 50
Material y acabado. 6SPH 10 porcelana vidriada. 6SVH 10 vidrio templado Partes metálicas de hierro maleable galvanizado.
Uso. Acoplado a la estructura aísla conductores aéreos en zonas normales.
Descripción corta. Aislador 6SPH10, Aislador 6SVH10
Abreviaturas en la descripción corta.
6-Diámetro de aislador en PG, 6- tipo suspensión; P-porcelana, V-Vidrio, H-Horquilla y ojo anular; 10-Resistencia
Tabla 1.9 Características mecánicas del Aislador de suspensión de porcelana o de vidrio templado.
Aisladores soporte tipo columna. Unidad aislante que tiene los medios o herrajes adecuados para su instalación, sujeción rígida por ambos extremos y que por su forma debe ser cilíndrica y con faldones.
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Cuando el aislador por su construcción tiene forma de cono truncado, también se considera cilíndrico.
Aislador de núcleo sólido. Es aquel cuya parte aislante está constituida por material uniforme y homogéneo sin cavidades de aire u otro gas y sin otro tipo de elemento, es decir, solamente del material de aislamiento (véase figura 1.6).
Figura 1.6 aislador de núcleo sólido.
Figura 1.7 Aislador de porcelana tipo poste.
Características Aislador de porcelana tipo poste.
Dimensiones.
Distancia mínima de flameo en seco. (mm)
130 x 280 483 267
Eléctricas.
(kV)
Tabla 1.10 Características del Aislador de porcelana tipo poste.
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De radio interferencia.
Tensión de prueba a baja frecuencia (RMS a tierra) kV
Tensión máxima 1000 kHz uV
15 100
Material y acabado. Cuerpo de porcelana, base metálica con galvanizado especial.
Uso. Soporta y aísla conductores aéreos en zonas de alta densidad de descargas atmosféricas.
Descripción corta. Aislador 13PC
13 = Tensión nominal. C = Contaminación. P = Poste.
Tabla 1.11 Características Mecánicas del Aislador de porcelana tipo poste.
Figura 1.8 Aislador de porcelana tipo poste.
Herrajes. Los aisladores usualmente se acoplan entres si para formar cadenas, de número suficiente de piezas para resistir las oscilaciones eléctricas, estas cadenas se conectan a la torre por un extremo y por el otro extremo al conductor por medio de los herrajes, formando de esta forma lo que se conoce como conjunto de herrajes. Existen otros tipos de conjuntos de herrajes los cuales son:
Conjuntos de tensión. Conjuntos de transposición de fases. Conjuntos de suspensión de guarda. Conjuntos para guarda con fibra óptica.
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Dimensiones y características
CLAVE A B C D Y Resistencia a la ruptura en
kN (kg.)
Masa kg.
0 111.2 (11350)
Especificación general.
CFE.-CFE.20000-01 Herrajes y -2H1LT-01 Herrajes y accesorios para líneas de transmisión.
Uso. En conjuntos de suspensión vertical y de suspensión en V, dos conductores por fase.
Pruebas. Debe pasar pruebas mecánicas.
Tabla 1.12 Características de la Grapa de Suspensión.
Figura 1.10 Suspensión en “V” para dos conductores por fase.
Descripción. Cant. Material. Especificación.
Horquilla “Y” bola larga 2 Acero forjado galvanizado 2H1LT 2H1LT-15
Aisladores Se adquiere por separado.
Calavera horquilla en “Y” largo.
2 Acero forjado o hierro maleable
galvanizado. 2H1LT-17
Grapa de suspensión. 1 Aleación aluminio-silicio 2C500-69
Cable conductor ASCR Se adquiere por separado.
Grillete. 2 Acero forjado galvanizado. 2G300-84
Horquilla “Y” bola corta 2 Acero forjado galvanizado. 2H1LT-06
Calavera horquilla en “Y” corta.
Tabla 1.13 Características de Suspensión en “V” para dos conductores por fase.
21
Figura 1.11 Suspensión en “V” para un conductor por fase.
Descripción. Cant. Material. Especificación.
Horquilla “Y” bola larga 2 Acero forjado galvanizado 2H1LT 2H1LT-15
Grapa de suspensión. 1 Aleación aluminio-silicio 2C500-69
Tabla 1.14 Características de Suspensión en “V” para un conductor por fase.
Figura 1.12 Suspensión vertical para dos conductores por fase.
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Varilla protectora. 2 Aluminio. 2H1LT-30
Tabla 1.15 Características de Suspensión vertical para dos conductores por fase.
Descargas Atmosféricas. El diseño de protección contra descargas eléctricas atmosféricas para sistemas de transmisión y distribución, ha experimentado pocos cambios, y consecuentemente, ha tenido muy poco desarrollo en los últimos 50 años. Las herramientas y dispositivos usados para la protección contra descargas atmosféricas, están limitadas a productos y técnicas tales como:
Arrestadores. Espaciamiento. Hilos de guarda (líneas estáticas o hilos de tierra). Relevadores para operar interruptores de circuitos. Componentes de sistemas de tierra convencionales. Incremento en los nivele básicos de aislamiento.
El relámpago se define como el resultado de un canal ionizado de una descarga eléctrica atmosférica; un rayo es una sobre corriente en ese canal.
Una gran tormenta eléctrica, puede producir hasta 100 descargas por minuto y lo mismo, una pequeña nube de tormenta puede generar la energía de una pequeña planta de fuerza nuclear (unos pocos cientos de Megawatts).
No todos los rayos son a tierra, pero cuando esto ocurre, esa energía puede ser devastadora. Una empresa de telecomunicaciones, puede salir de operación por varias horas o por días debido a los daños en el equipo, o una planta petroquímica puede tener incendios originados por rayos, con peligrosos riesgos y altos costos.
La influencia del impacto del rayo en los hilos de guarda. Para determinar la efectividad de los hilos de guarda, es necesario solamente analizar el impacto de una descarga, a una línea que se considera típica con parámetros convencionales. Para este fin, fue hecho un análisis, asumiendo dos impactos directos de consideración, al hilo de guarda, a media distancia y al poste. Dos longitudes de espaciamiento típicas y dos valores de resistencia de tierra, se usaron para los puntos de aterrizaje de cada poste. Se uso un conductor de bajada de cobre sólido calibre no. 6
23
AWG, por cada poste. El voltaje inducido en el conductor de fase con espaciamientos de unos y dos metros, fue calculado usando un 50% del impacto y un 75% del impacto, con un aumento del tiempo a la corriente pico de ambos de 1 micro segundo y 8 microsegundos.
Figura 1.13 Impacto de un rayo en los hilos de guarda.
Conductores. Los cables conductores constituyen los elementos que transportan la energía eléctrica. En México los conductores que se utilizan en alta tensión, son los denominados cables tipo ACSR (aluminium conductor steel reinforced), que están constituidos por un núcleo central de alambres de acero galvanizado o con recubrimiento de aluminio dispuestos helicoidalmente.
El núcleo de acero en este caso tiene como función resistir los esfuerzos mecánicos. Los conductores para una línea de transmisión se seleccionan de acuerdo con la corriente, la tensión, la longitud de la línea y las normas correspondientes.
Para tensiones de transmisión del sistema eléctrico nacional (115 kV, 230 kV y 400 kV), los conductores normalizados son: Por ejemplo:
Para 115 kV: cable de 795 MCM; ACSR, cóndor, ampacidad 900 A. Para 230 kV y 400 kV: cable de 1113 MCM, ACSR, bluejay, ampacidad 1110 A.
Para líneas de dos conductores por fase, las separaciones entre conductores de cada fase son:
Líneas de 115 kV y 230 kV: separación entre conductores de 33 cm. Líneas de 400 kV: separación de conductores de 45 cm.
Las líneas pueden ser de un circuito trifásico o de dos circuitos en paralelo con uno o dos conductores por fase y dos cables de guarda. Aun cuando el Sistema Eléctrico Nacional ya que existen líneas de cuatro circuitos en paralelo y líneas de tres conductores por fase.
Los conductores para líneas de transmisión están sujetos a diversos esfuerzos, los cuales deben ser tomados en cuenta para el diseño de las mismas, estos esfuerzos son causados por:
La tensión mecánica en el momento de tender la línea. El propio peso de los conductores. El agua, las sustancias sólidas suspendidas en la atmósfera y el hielo que se acumula.
h
d
Conductor de fase
Hilo de guarda
Considerando el impacto del rayo en la mitad de la distancia interpostal
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El viento. Las vibraciones (eólica y galopeo).
Cable de guarda. El cable de guarda tiene como función principal impedir que las descargas atmosféricas impacten sobre los conductores de fase, captando dichas corrientes y conduciéndolas por la estructura a los sistemas de tierra, que finalmente son los elementos disipadores. El cable de guarda se conecta en las crucetas preparadas para tal fin, localizadas en la parte superior de la torre.
La posición que guarden estos cables de guarda respecto a los conductores energizados, dependen de la probabilidad de que los rayos no incidan sobre los conductores. Igual que los conductores, los cables de guarda deben ser capaces de resistir las oscilaciones mecánicas y condiciones climatológicas de la zona donde se instalen. Generalmente los cables de guarda empleados son de acero galvanizado o de acero recubierto de aluminio. Recientemente se están instalando en algunas líneas de transmisión, cable de guarda de acero recubierto de aluminio con núcleo conteniendo fibra óptica. La separación vertical entre los cables de guarda y los conductores debe ser aproximadamente igual a la distancia entre fases en el caso de una disposición vertical de conductores, o a dos tercios de la distancia entre fases en el caso de una disposición horizontal de conductor.
Figura 1.14 Conjunto de tensión a compresión para cable de guarda.
Lista de partes y materiales.
Parte. Descripción. Cantidad. Material.
1 Grapa remate compresión. 2 Aluminio 356T6 tubo de acero C-1015
2 Grapa de tierra. 1 Aluminio 356T6
Tabla 1.16 Características del de tensión a compresión para cable de guarda.
Figura 1.15 Conjunto de suspensión para cable de guarda.
2
1
25
Parte .
1 Eslabón. 1 Acero forjado o galvanizado 2H1LT-28
2 Grapa de suspensión para cable.
1 Aleación aluminio-silicio hierro maleable galvanizado.
2H1LT-27
1 Aleación de aluminio. 2H1LT-23
4 Conector o compresión de cable o solera.
1 Aleación de aluminio o acero galvanizado.
2H1LT-24
Tabla 1.17 Características del de suspensión para cable de guarda.
Pararrayos. Las líneas de transporte de energía se protegen parcialmente contra las descargas atmosféricas por medio de hilos de tierra que se colocan a mayor altura que los conductores. Estos hilos son de acero, de cobre con alma de acero o de una aleación de alta resistencia a la tracción y se conecta eléctricamente con los puntos más altos de las torres metálicas.
En su mayor parte de las líneas y los aparatos están protegidos por pararrayos, la misión de los pararrayos es limitar el aumento de tensión en sus terminales hasta un valor que solo sea algo superior a la tensión de trabajo o nominal. Cuando la tensión aplicada al pararrayos alcanza el valor crítico, su misión estriba en evitar mayores aumentos, lo que exige que el pararrayos deje pasar una corriente intensiva con poco aumento de tensión. A continuación se muestra la característica a a’ de un pararrayos ideal.
Figura 1.16 Características de un pararrayos ideal.
Cuando la tensión de la línea alcanza el valor crítico en a, el pararrayos descarga corrientes de intensidad infinitamente grandes, sin que aumente la tensión en las terminales. En los pararrayos reales se fija como el valor de tensión crítica a 2.5 veces el de punta o máximo de la tensión de trabajo, la tensión aumenta ligeramente al aumentar la corriente, debido a la caída de tensión
V
I
Tensión de corte
Característica Ideal.
Característica Efectiva
26
producida por la resistencia. Esta característica se presenta en la parte ab de la característica real abc. Cuando la tensión vuelve a su valor normal, el pararrayos ha de cortar la corriente para un valor situado por encima del correspondiente a la punta de la tensión de trabajo, es decir en el punto c.
De otro modo se mantendría una descarga dinámica, debido a la tensión de carga de línea además en condiciones normales el pararrayos debe estar en circuito abierto.
Los pararrayos deben conectarse tan cerca como sea posible de los aparatos que se requiere proteger. Cuando el pararrayos ha de proteger una central, debe instalarse en el extremo de la línea de entrada o de salida, tan cerca como se pueda de los aparatos de la central.
Arreglo de mallas de la red de tierras. Existen diferentes dispositivos de mallas de tierra que son:
Sistema radial. Sistema de anillo. Sistema de malla.
a) Sistema radial. Consiste de uno o de varios electrodos de tierra a los cuales se conecta la derivación de cada uno de los equipos. Este sistema es el menos seguro, ya que al producirse una falla en el equipo se producen elevados gradientes de potencial.
b) Sistema de anillo. Se obtiene colocando un conductor alrededor de la superficie ocupada por los equipos. Al anillo se conectan las derivaciones de los equipos en los vértices de este anillo, se instalan los electrodos. Este sistema es más eficiente que el sistema radial ya que los potenciales disminuyen al disiparse la corriente de falla por varias trayectorias.
c) Sistema de malla. Es el más usado actualmente y consiste de un arreglo de conductores perpendiculares formando una malla o retícula a la cual se conectan cada una de las derivaciones de cada uno de los equipos. En el perímetro de la malla generalmente se conectan electrodos. Este sistema es el más eficiente ya que se limitan los potenciales originados por la circulación de la corriente de falla. Otros electos a considerar para la puesta a tierra son:
Los puntos de puesta a tierra
Las líneas de enlace con el electrodo de tierra
Con la puesta a tierra se logra:
Limitar la diferencia de potencial que en un momento dado, puede presentarse entre sus
estructuras metálicas y tierra.
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Posibilitar la detección de defectos, a tierra y asegurar la actuación y coordinación de las
protecciones, eliminando o disminuyendo así el riesgo que supone una avería para el
material utilizado y las personas.
Limitar las sobretensiones internas (de maniobra, transitoria y temporales), que pueden
aparecer en la red eléctrica, en determinadas condiciones de explotación.
Evitar que las tensiones de frente escarpados que originan las descargas de los rayos,
provoquen “flámeos inversos” en el caso de instalaciones de exterior y particularmente en
líneas aéreas.
Protección contra la corrosión por efecto galvánico. Otra forma de corrosión de los metales se da por efecto galvánico que se da por la unión de metales diferentes por ejemplo. Para que exista corrosión por efecto galvánico se debe cumplir con los siguientes requisitos: Unir dos metales diferentes y entre más activo o anódico, se corroe más rápido, es decir que entre mayor diferencia de potencial entre ambos metales, la corrosión será mayor. Cuando más se incrementa la diferencia de potencial más se incrementa la corrosión por efecto galvánico. En este caso es muy común entre las conexiones de cobre con fierro, esto es más común entre las conexiones y mordazas, el aluminio es muy sensible a este proceso.
Si la unión de los metales se encuentra inmersa en un electrolito, la corrosión se acelera. Si unimos fierro con cobre, pero la masa del fierro es mucho más grande que la del cobre se disminuye la corrosión. Cuando se presenta la corrosión en un sistema de tierra es conveniente protegerlo en forma adecuada, el método de la protección catódica es el más usual para proteger elementos metálicos enterrados.
La protección catódica es la reducción o eliminación de la corrosión, haciendo al metal un cátodo por medio de una corriente directa impresa o empleando un ánodo de sacrificio el cual puede ser de magnesio, aluminio o zinc. El termino ánodo es usado para describir la parte del metal que se corroe y de donde sale la corriente para entrar en la solución. El termino cátodo es usado para describir la parte del metal en que la corriente deja la solución y entra al metal. La solución capaz de conducir electricidad se llama electrolito, el electrolito que forma un medio corrosivo puede ser una solución, lluvia o un medio húmedo como el suelo.
Ánodos galvánicos (sacrificio). Un ánodo es el miembro que se corroe, dando un flujo de corriente hacia la red protegida, cediendo sus electrodos, es decir, su material se puede aplicar o conectar directamente. Existen varios requisitos para que funcionen ánodos de sacrificio:
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El potencial entre el ánodo y la malla a proteger debe ser suficientemente grande
convertirla de ánodo a cátodo.
El material del ánodo debe tener un elevado rendimiento eléctrico, expresado en amperes-
hora por kg. de material (Ah/kg.) lo que constituye su capacidad de drenaje de corriente
para tener una vida útil.
Los ánodos deben tener una buena eficiencia ya que los metales no sufren autocorrosión,
es decir, se auto protegen de la corrosión, bajando su rendimiento.
El contenido de energía eléctrica en un ánodo depende de las características del metal usado, por ejemplo un ánodo de zinc puro tiene una energía contenida de 372 amperes hora por libra, no lo convertimos a kilogramos por que en el mercado se consiguen los ánodos en peso por libras.
Protección catódica. Este proceso consiste en cambiar el área anódica que se desea proteger por una catódica eliminando la corrosión. Esto se puede lograr aplicando una corriente directa al metal que se corroe volviéndolo un cátodo.
La corriente fluye directamente de las áreas anódicas a las catódicas y completa el circuito a través del conductor, cuando el flujo de corriente va del terreno al cable o al área catódica no hay corrosión, cuando se protege una malla de tierras en forma catódica, el objetivo es que la red de tierras en su totalidad reciba la corriente del medio ambiente, entonces la red será un cátodo y la corrosión se detiene. La protección catódica provoca un flujo de corriente a través del medio de la cama de tierra, compuesta por ánodos de sacrificio o material de consumo, donde ocurre la corrosión no se ha detenido con la aplicación de la protección catódica, pero se ha transmitido a otro lugar, el material anódico se gasta por lo que hay que reponerlo.
Principales elementos constitutivos de una línea de transmisión.
Desde el punto de vista del proyecto de las líneas de transmisión; las principales componentes a considerar son:
Estructuras (torres). Conductores. Aislamientos.
Diseño preliminar del sistema de puesta a tierra. Los conductores empleados es las líneas de tierra tendrán una resistencia mecánica adecuada y ofrecerán una elevada resistencia a la corrosión, su sección será tal que la máxima corriente que circule por ellos en caso de una descarga atmosférica no lleve a estos conductores a una temperatura cercana a la de fusión, ni ponga en peligro sus empalmes y conexiones.
Electrodos de puesta a tierra; dimensiones. Los electrodos de puesta a tierra estarán formados por materiales metálicos en forma de varillas, cables, chapas, perfiles, que presenten una resistencia elevada a la corrosión por sí mismos, o mediante una protección adicional, tales como el cobre o el acero debidamente protegidos, en cuyo caso se tendrá especial cuidado de no dañar el recubrimiento de protección durante el hincado. Los electrodos podrán disponerse de la siguiente forma:
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Picas hincadas en el terreno, constituidas por tubos, barras u otros perfiles, que podrán estar formados por elementos empalmables. Varillas, barras o cables enterrados, dispuestos en forma radial, mallada, anular, placas o chapas enterradas. Así como acerca de las dimensiones mínimas de los mismos. Las dimensiones de las picas se ajustaran a las especificaciones siguientes. Los redondos de cobre o acero recubierto de cobre, no serán de un diámetro menor a 14 mm, los de acero sin recubrimiento no tendrán diámetro inferior a 20 mm. Los tubos no serán de un diámetro inferior a 14 mm, los de acero sin recubrir no tendrán diámetro inferior a 20 mm. Los tubos no serán de un diámetro inferior a 30 mm, ni de un espesor de pared inferior a 3 mm. Los perfiles de acero no serán de espesor inferior a 5 mm ni de una sección inferior a 250 mm. Los conductores enterrados, serán de varilla, cable o pletina, deberán tener una sección mínima de 50 mm
2 los de cobre y 100 mm
2 los de acero. El espesor mínimo de las pletinas y el diámetro
mínimo de los alambres de los cables no será inferior a 2 mm los de cobre y 3 mm los de acero.
Las placas o chapas tendrán un espesor mínimo de 2 mm los de cobre y 3 mm las de acero. En la relación con el metal utilizado como electrodo, ha de indicarse que su elección debe atender a la resistencia que presente a la corrosión, ocasionada por causas tales como ataque químico, biológico, oxidación, formación de pares electrolíticos entre metales diferentes o entre un metal y los productos de su alteración, electrólisis, corriente de circulación en el terreno (vagabundas, debidas a la tracción eléctrica). En la práctica los metales más utilizados son el cobre por su alta resistividad a la corrosión y los aceros cromo níquel que resisten por corrosión por pasivación, o los galvanizados, estos presentan una vida útil dependiendo de la duración de su capa protectora de zinc. Para evitar la corrosión puede estañarse la superficie del electrodo o utilizar el zinc como electrodo de sacrificio, aunque también pueden protegerse las superficies férreas como pinturas plásticas o recubrimientos asfálticos, utilizar tuberías no metálicas si se trata de canalizaciones, etc.
Tensiones. La seguridad de cualquier instalación eléctrica desde los criterios de diseño hasta su puesta en utilización es materia fundamental para evitar accidentes.
a) Tensión de paso. Es la parte de la tensión (de puesta) a tierra que no puede ser marcada por un ser humano entre los dos pies, considerándose el paso de una longitud de un metro.
La tensión de paso es la diferencia de potencial entre dos puntos de la superficie del terreno, separados por una distancia de un paso, que se asimila a un metro, en la diferencia del gradiente del potencial máximo.
b) Tensión de contacto. Es la fracción de la tensión de puesta a tierra que puede ser marcada por una persona entre la mano y el pie (considerando 1 metro) o entre ambas manos. La tensión de contacto es la diferencia de potencial entre una estructura metálica puesta a tierra y un punto de la superficie del terreno a una distancia igual a la distancia horizontal máxima que se puede alcanzar, o sea aproximadamente un metro.
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c) Tensión de paso aplicada. Es la parte de la tensión de paso que resulta directamente aplicada entre los pues de un hombre, teniendo en cuenta todas las diferencias que intervienen en el circuito y estimándose la del cuerpo humano en 1000 Ohms.
d) Tensión de contacto aplicada. Es la parte de la tensión de contacto que resulta directamente aplicada entre dos puntos del cuerpo humano, considerando todas las resistencias que intervienen en el circuito y estimándose la del cuerpo humano en 1000 Ohms.
Derecho de vía. Es una faja de terreno que se ubica a lo largo de cada línea aérea, cuyo eje coincide con el central longitudinal de las estructuras o con el trazo topográfico.
Eje del trazo topográfico. Es la línea imaginaria que une las marcas de referencia fijas, establecidas en el terreno, que define la trayectoria de un levantamiento topográfico.
Claro. Es la parte de una línea aérea comprendida entre dos estructuras consecutivas.
Claro medio horizontal o claro de viento de una estructura. Es la semisuma de los valores de los dos claros adyacentes a la estructura de referencia. Es el valor de la distancia horizontal existente entre los dos puntos más bajos de las catenarias adyacentes a la estructura de referencia.
Línea aérea. Es aquella que está constituida por conductores desnudos o aislados, tendidos en espacios abiertos y que están soportados por estructuras o postes, con los accesorios necesarios para la fijación, separación y aislamiento de los mismos conductores. Es la distancia medida verticalmente desde el conductor, hasta una línea recta imaginaria que une sus dos puntos de soporte. A menos que otra cosa se indique, la flecha siempre se mide en el punto medio del claro.
Figura 1.17 línea aérea.
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Zona Urbana. Son las localidades o áreas con 2500 habitantes o más o bien las cabeceras municipales independientemente del número de habitantes.
Zona rural. Son las localidades o aéreas con menos de 2500 habitantes. Por metros que influyen en la determinación de ancho de derecho de vía, el ancho del derecho de vía está integrado por el doble de la suma de las siguientes distancias. Separación horizontal mínima eléctrica de seguridad (distancia A); proyección horizontal de la flecha del conductor y de la longitud de la cadena de aisladores de suspensión (en su caso), según el ángulo de oscilación que produce la presión del viento (distancia B), distancia del eje de la estructura al conductor extremo en reposo (distancia C); (ver figura 1.17). Estos parámetros varían con: la tensión eléctrica nominal, el calibre del conductor, la magnitud de la presión del viento, tipo de estructura, la zona en que se localice y la altitud respecto al nivel del mar en se ubique.
Figura 1.18 integración del derecho de vía.
Notas.
Separación horizontal mínima de seguridad. Proyección horizontal de la flecha mas cadena de aisladores Distancia del eje de la estructura al conductor extremo en reposo
En la figura anterior tenemos lo siguiente:
(La) longitud oscilante de la cadena de aisladores. Ancho del derecho de vía 2[A+ (La+16T) sen U +C1
Tipos de derecho de vía. Para aplicar esta especificación y efectuar el cálculo del derecho de vía requerido, se considerará la zona en que se localice la línea aérea.
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Derecho de vía en zona urbana Derecho de vía en zona rural
Además de considerar el tipo de terreno donde pasa la línea aérea. Al terreno plano. Separación horizontal mínima eléctrica de seguridad de conductores energizados a edificios, construcciones, árboles y cualquier otro tipo obstáculo a la separación horizontal de los conductores a la superficie de edificios, construcciones, anuncios, chimeneas, antenas, tanques de aguas, árboles y cualquier otro equipo obstáculo. No debe ser menor que indica la tabla 1.3. Cuando los edificios pasen de tres pisos o 15 m de altura, se recomienda que entre el conductor energizado más cercano al edificio, se dé un espacio libre de cuando menos 1.80 m adicional a lo indicado en la tabla siguiente, con objeto de facilitar la colocación de escaleras en caso de incendio.
Tensión nominal entre fases (V) Distancia horizontal mínima (A) (m)
De 150 a 600 1.0
Hasta 6600 1.20
13 800 1.35
Notas.
1) las distancias indicadas en la tabla 1.3 se incrementan 1% por cada 100 m de longitud que rebase los 1000 msnm (metros sobre el nivel del mar).
2) Los cables de comunicación, mensajeros, deben guardar una distancia mínima de 1 m con el obstáculo más cercano.
3) Cuando el espacio disponible no permita este valor, la separación puede reducirse a un mínimo de 1 m, siempre que los conductores tengan aislamiento para prevenir un corto circuito en caso de contacto momentáneo a tierra.
Derecho de vía en terrenos: plano y montañoso. Terreno plano. En terreno plano, en que la longitud de los claros es aproximadamente igual, el ancho del derecho de vía calculado o seleccionado en las tablas debe de ser aplicado a todo lo largo de la línea.
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Terreno montañoso en zonas rurales. En terrenos con lomerío y/o montañoso, debe procurarse un ancho de vía uniforme a lo largo de la línea. Sin embargo, en claros excesivamente grandes, puede ser necesario modificar el ancho de conformidad con las características particulares del terreno en el claro de que se trate. Donde el libramiento real del conductor al piso, es mayor a la suma del libramiento vertical mínimo normalizados del conductor al piso más la altura máxima alcanzada por los árboles circundantes en edad madura, se puede reducir el derecho de vía de acuerdo con el área técnica. En esta aéreas, en las partes cercanas a las estructuras se recomienda conservar el derecho de vía normalizado, evitando hacerlo en la parte baja de la flecha del conductor.
Derecho de vía en terrenos con pendientes. El ancho del derecho de vía se debe de medir como si se tratara de terreno plano. Terreno con pendiendo transversal al eje del trazo topográfico. En terrenos con pendiente transversal al eje del trazo topográfico o de la línea, el ancho del derecho de vía corresponde a la proyección horizontal del terreno, es decir, la dimensión a medir sobre el terreno debe ser la que resulte dividir el ancho calculado del derecho de vía, entre el coseno del Angulo de inclinación del terreno respecto a la horizontal.
Terrenos en las zonas conflictivas. Recomendaciones para modificar el derecho de vía en zonas conflictivas en aéreas de cultivos costosos como café, árboles frutales, ecosistemas frágiles, etc. O bien terrenos urbanos con serios problemas para la obtención del derecho de vía, es factible aplicar, previo estudio técnico económico, una o más de las siguientes medidas, con objeto de reducir el ancho necesario para el paso de la línea. Al aislar los conductores de baja tensión.
a) Instalar contra pesos en los puntos de soporte oscilantes de los conductores, previa verificación de la capacidad de carga vertical.
b) Limitar en alguna otra forma la oscilación transversal de los conductores. (cadenas de aisladores en v, tipo poste, etc.).
c) Modificar la disposición vertical de los conductores. d) Reducir la flecha, incrementando la tensión mecánica de los cables. e) Reducir la longitud de los claros. f) Cambio de trayectoria del trazo original de la línea. g) Cambios de la estructura.
Cuando exista la necesidad de instalar una línea en una zona urbana congestionada o en una zona rural con cultivos costosos, en las que no es posible obtener el derecho de vía reglamentario en esta especificación. Y que se han estudiado si es factible incrementar el libramiento de los conductores al paso.
Señalización de las líneas de transmisión aéreas, tráfico aéreo y navegación. Tráfico aéreo. Atendiendo las disposiciones fijadas por la Secretaría de Comunicaciones y Transportes y con el fin de proporcionar seguridad a las maniobras aéreas y a las líneas de transmisión de Comisión Federal de Electricidad, se debe llevar a cabo las siguientes recomendaciones:
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Cruzamiento de líneas de transmisión, Estructuras. Pintar de color ámbar, la trabe y crucetas de conductor y cable de guarda, como dos estructuras antes y dos después del cruzamiento. En las estructuras adyacentes al cruzamiento deben pintarse de color rojo de acuerdo a la especificación CFE L0000-15.
Figura 1.19 Estructuras cruzadas.
Señalización de estructuras y cables de líneas de transmisión en las proximidades de aeropuertos, ríos lagos y mares.
Navegación (ríos, lagos y mares).
Cuando existe el cruzamiento de líneas de transmisión con ríos, lagos o mares importantes para la navegación.
Figura 1.20. Señalamiento de estructuras y cables de líneas de transmisión.
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Cables. Deben instalarse boyas de señalización en los cables de guarda de la línea que presente el mayor cruzamiento de altura. En este claro se deben colorar 5 boyas a una distancia de 50 m, tomando como referencia el eje central del cruzamiento. Aquellas líneas de transmisión o parte de ellas que se localizan en un radio de circunferencia de 4 km. tomando como referencia el centro geométrico del área de operaciones del aeropuerto, deben pintarse las estructuras completamente de color 1 blanco y 8 rojo de acuerdo a la especificación CFE L0000-15 en bandas alternadas que contrasten entre sí. El ancho de las bandas debe ser aproximadamente de 1/7 de la altura total de las estructuras.
Fig 1.19. Ancho de la Banda 1/17 de la altura total de la estructura Figura 1.21 Ancho de la banda de 1/17 de la altura total de la estructura.
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CAPITULO II: TIPOS DE ESTRUCTURAS.
TRANSPORTE DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA POR MEDIO DE CORRIENTE ALTERNA. Para transportar económicamente energía a distancias considerables, es necesario que la tensión sea muy elevada. Hasta 20 kV se puede producir directamente en los alternadores, y para mayores tensiones es conveniente servirse de transformadores, porque es difícil asilar los generadores para tensiones tan altas. La tensión de transporte es casi siempre, demasiado elevada para su utilización directa, por lo que es conveniente reducirla, por medio de transformadores, para su distribución a valores convenientes. Hace años que solamente era posible elevar y reducir las tensiones de corriente directa por medio de maquinas con colectores giratorios. El rendimiento de estas no es elevado y se presentaban dificultades, debidas a los colectores, aun para tensiones relativamente bajas. Sin embargo, hasta ahora, la corriente alterna es casi la única que se utiliza para el transporte de energía. (La única excepción es el sistema Thury en Europa) Cuando se trata de potencias considerables, se emplean corrientes polifásicas, que presentan muchas ventajas con relación a las monofásicas. Por ejemplo los motores polifásicos son muchos más baratos y ligeros que los monofásicos a igualdad de potencia y, por regla general, sus características de funcionamiento son mejores. Los rendimientos de los generadores y conmutatrices son mejores cuando funcionan como polifásicos son mucho mayores que cuando lo hacen como monofásicos. De los sistemas polifásicos, el trifásico es el que más se utiliza para las líneas de transporte, aunque no es raro el empleo de la corriente bifásica para distribuciones. La corriente trifásica tiene la ventaja de que, entre todas las polifásicas, es la que exige menor número de conductores, los desequilibrios de tensiones, aun con cargas desequilibradas, no suelen ser graves y para una tensión dada entre conductores y un transporte determinado de energía a una distancia dada y con pérdidas prefijadas en la línea, la corriente trifásica solo requiere el 75% del cobre que se necesita cuando se emplea corriente bifásica o monofásica. Cuando la tensión es tan elevada que exige el uso de transformadores, la energía se produce en general a 6600 o 13200 V, tensiones que no llegan a dificultar el adecuado aislamiento de los generadores, y al mismo tiempo permiten que los conductores del inducido, las barras del cuadro y los conductores intermedios no sean de secciones excesivas. La tensión de transporte se determina principalmente atendiendo a razones económicas. Aunque las tensiones elevadas permiten reducir la sección de los conductores, la economía del cobre, o de aluminio, puede anularse por el aumento de costo del aislamiento de la línea y de sus estructuras de soporte y por el mayor tamaño de estaciones generadores y subestaciones, exigidos por las mayores distancias que deben quedar entre los conductores y entre las barras de cuadro. Un procedimiento burdo de determinación de la tensión de un transporte es el considerar que debe ser de 1000 volts por cada milla (625 volts por kilómetro). Debido al peligro que representa, no suele permitirse que las líneas de alta tensión pasen por distritos muy poblados para llegar a las subestaciones de distribución. La tensión suele reducir a 13.2 y 23 kV en las subestaciones situadas en los límites de la ciudad y luego se hace la distribución por medio de cables subterráneos, o por líneas aéreas en algunos casos, a estas tensiones reducidas.
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Torres para líneas de transporte. Las torres metálicas son estructuras de amplia base, construidas generalmente por cuatro montantes principales, unidos por medio de diagonales de secciones pequeñas. Como están construidas por un número relativamente pequeño de elementos unidos por tornillos o remaches, el costo de mano de obra para el montaje es relativamente bajo. La sección que se da a los motores les permite resistir los elevados esfuerzos de torsión que se producen cuando se rompen los conductores de un vano. Las torres deben asentarse sobre fundaciones de hormigón, lo que es necesario sobre todo si el terreno es pantanoso. Un sistema más económico consiste en remachar placas de asiento a los pies de los montajes y enterrarlos directamente en el suelo. Las torres se transportan desmontadas y el trabajo del montaje se hace en un lugar definido y se confía a brigadas especializadas. Las torres metálicas son las más convenientes como soporte de línea de transporte en el aspecto de resistencia mecánica, seguridad, conservación y duración. Se emplean prácticamente todas las líneas desde 85 kV en adelante. Una forma menos costosa para el soporte para la línea de transmisión es la torre flexible su forma se inspira en el principio de que si las fuerzas de atracción de dos tramos contiguos son iguales, la torres actúa solo como pie derecho que soporta la línea en un extremo, pero no tiene que resistir esfuerzos horizontales. Las torres flexibles son simplemente estructuras en forma de A, Fig. 2.1, previstas para resistir el máximo esfuerzo transversal que pueda presentarse pero no los esfuerzos en la dirección de la línea. Cuando se usan estas torres es preciso disponer de torres de anclaje cada 1500 m aproximadamente, que compensen cualquier desequilibrio de tensiones mecánicas que puedan provenir de la rotura de un cable. Cuando se utilizan aisladores suspendidos se ha de disponer de un cable de tierra de acero, que una cúspide de las torres les dé estabilidad longitudinal. La ventaja de la torres flexibles esta en el hecho que pueden transportarse completamente montadas y se izan con facilidad.
Acot en m.
5.67
C
B
B
3.853.85
7.70
Figura 2.1 Torre flexible en A de una línea de 132 kV.
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Tipos de estructuras. (Torres), utilizadas en México. Las torres o estructuras como se sabe, constituyen el soporte mecánico de las líneas de transmisión; y económicamente hablando, representan la mayor inversión. En México se construyen principalmente de acero o cemento armado, para la subtransmisión y distribución. En algunos países como Canadá, Estados Unidos, Alemania, Suecia, Finlandia, etc., se pueden encontrar las líneas de transmisión con estructuras de madera. Por su tipo, las torres pueden ser principalmente:
Autosoportadas de Celosía (estructurales). Autosoportadas tubulares. Con retenidas.
Torres Autosoportadas de celosía. Las torres Autosoportadas constituyen en México, la mayoría de las estructuras usadas en las líneas de transmisión, en alta tensión. Su nombre se debe a que mecánicamente no requieren de apoyos adicionales para trabajar, con los electos sujetos a los esfuerzos y comprensión, es decir dichos elementos tienden a alargarse o comprimirse debido a carga de conductores aislados y electos externos; como presión del viento, carga por hielo, etc., además del tensionado normal para montaje.
Figura 2.2 Torre Autosoportada de Celosía.
h = altura de los conductores de fase, sobre el nivel del suelo. HT = altura de la trabe. D = distancia entre centros de fase.
TORRE. Las dimensiones de esta torre son variables y dependen de varios factores, como son:
Tipo de terreno, (plano, ondulado, montañoso).
Distancia intercostal (es decir, distancia media entre dos torres adyacentes, también
conocida como claro horizontal).
Función de la torres, lo que determina el tipo que puedes ser.
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Tipo tensión.
Tipo remate.
De transposición.
La gran mayoría de las líneas de transmisión usadas en México; son del tipo autosoportadas de celosía, de las llamadas de suspensión. Las torres de tensión se aplican en menor número, para otras aplicaciones como son: cruzamientos y zonas, en donde se requiere obtener una mayor altura de los conductores.
Torres de Remate. Las torres de remate se usan en las llegadas y salidas de subestaciones eléctricas; y pueden ser de suspensión, o de tensión; dependiendo del ángulo de llegada o de la salida de la subestación, preferentemente se usan, de tipo suspensión.
Torres de Transposición. Tienen un diseño similar a las de suspensión; y se usan para alternar la posición, de los conductores de fase de las líneas de transmisión, se aplican pocas en una línea de transmisión y depende en cierto modo de la longitud de las mismas.
Torres Autosoportadas del tipo tubular. Estas torres también son autosoportadas, en el mismo concepto de las tipo celosía; la diferencia está en el tipo de construcción, con ángulos o perfiles si no se usa tubo de acero, lo que hacen que sean más compactas, pero también su costo es superior a igualdad de costos de operación; también se diseñan para trabajar en suspensión o a tensión. Debido a su alto costo su uso está restringido a zonas, donde se tienen problemas de disponibilidad de terreno para construir la línea, y también de estética; es decir se aplican preferentemente a zonas urbanas con diseños compactos, en donde se pueden usar también, aislamientos sintéticos o sea aislamientos no convencionales a base de discos de vidrio y porcelana.
Torres con accesorios de retenidas. Se usan en México con una trabe horizontal, sostenida con uno o dos puntos, que trabajan exclusivamente a compresión, en estas torres, la estabilidad mecánica se asegura por medio de tirantes (retenidas), con la disposición apropiada. A continuación se muestran algunas torres para explicar algunos párrafos anteriores.
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CAPÍTULO III. MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO.
Medición de la resistividad del suelo y resistencia eléctrica en líneas aéreas en construcción. Las mediciones de la resistividad del suelo y resistencia eléctrica de la red de tierras se deben realizar en la época de sequia debida a que son las condiciones más críticas.
Medición de la resistividad del suelo en líneas aéreas para el diseño de la red de tierras. Una vez determinada la posición de la torres y por consecuencia lógica las cimentaciones se procede a ejecutar la medición de la resistividad del suelo, siguiendo el método de los cuatro electrodos o de WENNER. Para estructuras autosoportadas se deben hacer a partir del centro de la base a partir del centro de la base de la torre en diagonal respecto al sentido de la línea, de acuerdo al arreglo “A” representado en la figura 3.1, considerando la medición hacia afuera de las patas 1 y 3 o al arreglo “B” de la misma figura que involucra las patas 2 y 4.
Figura 3.1 Arreglos para la medición de la resistividad del suelo en líneas aéreas para el diseño de
la red de tierras.
La selección de los arreglos A o B debe ser en función de las facilidades del terreno para el indicado de los electrodos verticales. Hay que considerar que en las zonas urbanas las mediciones se realizan en el centro de la base en el sentido de la instalación.
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En cualquiera de los arreglos, se realizan 7 mediciones en cada dirección para hacer un total de 14 mediciones. La primera lectura se debe de hacer con una separación entre los electrodos de 1.6 m, incrementándose en 1.6 m, hasta llegar a 11.2 m. los valores obtenidos se anotaran en un formato y los valores de la resistividad del suelo para diseñar la red de tierras son responsabilidad del diseñador. Las mediciones se deben de realizar manteniendo el electrodo C1 instalado en el centro de la estructura, por lo cual solo variaran de posición de electrodos P1, P2, y C2.
Medición de la resistividad del suelo y resistencia eléctrica en líneas aéreas en operación.
Para la medición de la resistividad del suelo, se debe utilizar el método de WENNER.
En 1915, el Dr. Frank WENNER del U.S. Bureau of Standards desarrolló la teoría de este método de prueba, y la ecuación que lleva su nombre.
Con objeto de medir la resistividad del suelo se hace necesario insertar los 4 electrodos en el suelo. Los cuatro electrodos se colocan en línea recta y a una misma profundidad de penetración, las mediciones de resistividad dependerán de la distancia entre electrodos y de la resistividad del terreno, y por el contrario no dependen en forma apreciable del tamaño y del material de los electrodos,

METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE LA RED DE TIERRAS DE …

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