35 CAPÍTULO III ESTRUCTURAS Y MONTAJES TIPO PARA REDES AÉREAS DE MEDIA TENSIÓN CON CABLE PROTEGIDO 3.1 COMPONENTES DE ESTRUCTURAS [11] [24] [27] [28] [29] 3.1.1 ESPACIADORES Los espaciadores están diseñados para niveles de voltaje de 15kV, 25kV y 46kV, son fuertes, robustos pero livianos, están hechos con alta densidad de polietileno, con una alta resistencia al tracking, al desgaste, a la abrasión y a los rayos UV. Su función es la de sostener y separar a las fases en configuración triangular mientras el espaciador está suspendido del mensajero. Cuando la red pasa por el poste el cable mensajero se sujeta mediante una grapa que viene incorporada a una ménsula tangente, el espaciador se sostiene de la ménsula mediante un estribo diseñado especialmente para esta aplicación, tal como se observa en la figura 3, y estos elementos se los detallarán más adelante en este capítulo, También constan de un agujero para adhesión de la ménsula antioscilaciones o antibalanceo, (agujero de acople), en lugares donde el espaciador está adherido al poste mediante ménsulas. Mientras que cuando el espaciador está en el vano, como se aprecia en la figura 2, el cable mensajero va en el gancho superior de éste. Debido a su diseño los espaciadores presentan las siguientes características: - Son autolavables por lluvia. Gran longitud de línea de fuga que evita los contorneos. 36 - Se minimiza la caída de voltaje debido a que el espaciador es compacto. Fig 1. Espaciador para cable protegido 25kV. [5] Los espaciadores tienen una alta resistencia al impacto con arma de fuego (rifle, pistola), considerando que hay zonas en la ciudad que se pueden considerar como peligrosas por la existencia de pandillas o robo del cable neutro en redes de media y baja tensión. En la parte ecológica, su diseño permite una armonía con el medio ambiente, es decir, evitando la tala de los árboles al momento en que las ramas topen las líneas, o tender la red a través de bosques que están protegidos. Existen varios modelos de espaciadores los cuales se van a detallar a continuación: - Espaciadores sin grapas incorporadas - Espaciadores con grapas incorporadas - Espaciadores con grapas para desvíos mayores a 20º - Espaciador para red monofásica 3.1.1.1 Espaciadores sin grapas incorporadas Este tipo de espaciador asegura a las fases y mensajero mediante anillos de sujeción (accesorios que se detallarán más adelante). 37 Fig 2. Espaciador, red distribución, Iguazú-Brasil. Este diseño hace ver al ojo del observador como si la red estuviera limpia o descongestionada, dando solución al problema que existe en algunos sectores de la ciudad de Quito donde el congestionamiento de cables es tan considerable que hace muy difícil el mantenimiento de las redes ya que otras empresas utilizan los mismos postes para instalar sus cables como por ejemplo los cables telefónicos o televisión por cable. Fig 3. Espaciador, red distribución, Iguazú-Brasil. 3.1.1.2 Espaciadores con grapas incorporadas Este modelo tienes las mismas aplicaciones que el modelo anterior, la diferencia radica en que el espaciador tiene grapas incorporadas para asegurar a las fases y 38 al mensajero, haciendo que su montaje y remoción sean más rápidas y sencillas. Las grapas están diseñadas para sostener todas las secciones de los conductores y del mensajero. Fig 4. Espaciador con grapas para el mensajero. [5] 3.1.1.3 Espaciadores con grapas para desvíos mayores a 20º Una opción para redes con desvíos mayores a 20º es este espaciador, el cual posee una grapa metálica de sujeción con una especie de articulación giratoria para que el espaciador quede vertical aunque el mensajero esté inclinado según la pendiente. [5] Fig 5. Espaciador para desvíos mayores a 20°. [5] 39 3.1.1.4 Espaciador para red monofásica Fig 6. Espaciador red monofásica 20kV fase-tierra. [5] Como se observa en la figura 6, el espaciador está diseñado para que la red tenga una configuración vertical, ya que la red es monofásica y el mensajero va por arriba de la fase. Los valores de voltaje para los cuales están diseñados estos espaciadores son de hasta 20kV fase-tierra. 3.1.2 ANILLOS DE SUJECIÓN Fig 7.Anillo de sujeción. [5] Los anillos de sujeción se utilizan en los espaciadores que no vienen con las grapas incorporadas, como se mencionó anteriormente, son utilizados para asegurar los conductores y el mensajero al espaciador. 40 Como se observa en la figura 3 los anillos de sujeción pueden reemplazar también a los estribos (accesorio a analizar más adelante), que sujetan al espaciador a la ménsula cuando la red pasa por el poste. Los anillos de sujeción son de goma EPDM (Etileno Propileno Dieno Monómero), la cual aprieta los conductores firmemente en condiciones de corto circuito y más aún en condiciones normales de trabajo, su instalación en los espaciadores es fácil ya sea de forma manual o en caliente. El EPDM es resistente a la oxidación, a la intemperie, a los agentes atmosféricos y al calor oscilando su campo de temperaturas entre -15°C y los 130°C. Por lo que los anillos de sujeción son de larga duración y resistentes a los rayos ultravioleta. 3.1.3 AISLADORES 3.1.3.1 Aisladores tipo pin Este tipo de aisladores están hechos de alta densidad de polietileno, su peso es alrededor de 2lbs, son de color gris con una alta resistencia al tracking, prácticamente tienen las mismas características constructivas que los espaciadores. Son resistentes a golpes o vandalismo con armas de fuego (pistola), según pruebas que se han hecho por parte de los fabricantes se ha podido comprobar que aún perforados por causa de proyectil de arma de fuego el aislador sigue en servicio. Debido a su diseño, en lo que se refiere a la forma, son auto-lavables por efecto de la lluvia, además su comportamiento es excelente en ambientes contaminados debido a este motivo y a que tiene una gran línea de fuga. Otra característica de los aisladores de polietileno es que evitan el efecto corona. 41 El efecto corona es una manifestación de pérdidas que involucra al campo eléctrico en la superficie de los conductores cuando excede a la rigidez dieléctrica del aire. [3] Por este motivo los aisladores de polietileno se pueden intercambiar con los aisladores de porcelana en redes con conductores desnudos, pero no se puede intercambiar aisladores de porcelana con los de polietileno en redes con cable protegido ya que este efecto deteriora la superficie del cable. Estos aisladores también se utilizan en redes con cable protegido debido a que la constante dieléctrica tanto del aislador como de la cubierta del cable es similar, motivo por el cual no es necesario pelar el cable al momento en que éste pase por el aislador. Fig 8.Aislador tipo pin para 25 kV. [5] Su aplicación está cuando existen ángulos de desvío en la red, para lo cual los aisladores se instalan sobre ménsulas para ejercer los ángulos que se necesiten, estos aisladores se aseguran a la ménsula mediante un perno espiga. Para asegurar el cable a los aisladores se tienen 2 opciones: - Alambre recubierto para ataduras. - Aisladores tipo pin con grapas incorporadas. 42 3.1.3.1.1 Alambre recubierto para ataduras Fig 9. Alambre recubierto para ataduras. [5] Es un alambre de aluminio blando #4 AWG recubierto por una capa de 1.14mm (0.045”) de espesor, extruida en caucho termoplástico (TPR). [5] Se debe tener cuidado al momento de realizar el amarre para mantener los valores de tensión y flecha de los conductores de la red, después de hecho el amarre, el alambre no tiende a desenrollarse. Fig 10. Amarre del conductor al aislador. [5] Dado que este tipo de aisladores también se pueden implementar en redes desnudas, para asegurar el conductor desnudo al aislador de polietileno se realiza la misma metodología que con cable protegido, la diferencia es en el cable de amarre el cual debe de ser desnudo. 3.1.3.1.2 Aisladores tipo pin con grapa incorporada Este tipo de aislador es una alternativa al método anterior de asegurar los cables al aislador por medio del alambre para ataduras, ya que el aislador tiene una grapa para la sujeción de las fases. 43 Fig 11.Aislador tipo pin con grapa incorporada. [5] Como se observa en la figura la grapa está en la parte superior del aislador, siendo su ventaja el ahorro de tiempo en el montaje debido a que ya no se realiza el amarre. Si se va a montar este tipo de aislador en una red con cables desnudo, los aisladores deben tener insertos de aluminio en las mordazas de las grapas. [5] Para asegurar los aisladores a las ménsulas se utilizan los pernos para aislador, los cuales se detallan a continuación: - Pernos para aislador o perno espiga La función de los pernos es la de asegurar el aislador a la cruceta o la ménsula. Existen dos tipos de pernos: pernos para montaje en ménsulas (de cola corta) y pernos para montaje en crucetas convencionales (de cola larga). Fig 12. Pernos para aislador. [5] 44 El diámetro de la rosca es de 2.54cm para el perno para aislador montado en cruceta mientras que para el perno del aislador montado en ménsula el diámetro de la rosca es 3.4925cm según la norma ANSI. 3.1.3.2 Aisladores para retención Su núcleo está compuesto por fibra de vidrio el cual proporciona una rigidez dieléctrica y una buena resistencia mecánica, toda esta parte interna está revestida por una cubierta polimérica la cual protege al núcleo de la radiación ultravioleta y de la humedad. Fig 13. Aislador para retención. [5] Aunque son prácticamente irrompibles son también muy livianos, el material del cual están hechos estos aisladores hace que resistan al vandalismo y a la intemperie, evitan fugas de corriente y tienen buena hidrofobicidad, es decir repele en su mayoría la humedad que queda en la superficie del aislador. Estos aisladores de retención cumplen con la función de aislar los conductores de fase de tierra en los circuitos terminales o estructuras de retención. 3.1.4 SOPORTES DE MONTAJE Los soportes de montaje que se detallan a continuación son básicamente para la sujeción del mensajero en redes con ángulos de desviación e excepción del estribo que es para la sujeción del espaciador en los postes tal como se explicó en la parte inicial de este capítulo, así como las grapas de retención para mensajero y para los conductores de fase. 45 3.1.4.1 Grapa de retención preformada para mensajero Fig 14. Grapa de retención preformada para mensajero. [5] Esta grapa tiene la misma capacidad mecánica del cable mensajero y se utiliza cuando éste tiene la función de retención por ejemplo en vanos largos, estructuras terminales o ángulos de desvío de la red, es decir cuando el mensajero se sujeta del poste. 3.1.4.2 Grapa de retención preformada para conductor Se utiliza para la retención de los conductores como por ejemplo en las estructuras terminales o en la transición de red desnuda a red con cable protegido. 3.1.4.2 Horquillas Se tiene tres tipos de horquillas: - Horquilla con pasador - Guardacabo horquilla - Guardacabo horquilla para servicio pesado - Horquilla con pasador Se las utiliza cuando se necesita sostener los aisladores de suspensión a las ménsulas. 46 Fig 15. Grapa de retención preformada para mensajero. [5] - Guardacabo horquilla Se montan en las curvas de las grapas de retención tanto para las fases como para el mensajero, el guardacabo horquilla no daña las curvas de las grapas anteriormente mencionadas. Fig 16. Grapa de retención preformada para mensajero. [5] El guardacabo horquilla tiene una carga de rotura de 11000lbs y un peso de 1lb. - Guardacabo horquilla para servicio pesado Tiene las mismas aplicaciones que el guardacabo horquilla con la diferencia que el guardacabo horquilla para servicio pesado tiene una mayor carga de rotura con un valor de 40000lbs, casi cuatro veces mayor que el anterior y un peso de 1.20lbs. Fig 17. Grapa de retención preformada para mensajero. [5] 47 La Empresa Eléctrica Quito emplea una horquilla de anclaje de 15000lbs de carga de rotura para redes desnudas, la cual se puede también aplicar en redes con cable protegido abaratando costos o también con la implementación de la grapa terminal apernado de aluminio tipo pistola, tal como se observará en la ilustración gráfica de las estructuras. 3.1.4.3 Estribo para ménsula tangente El estribo es el que sostiene al espaciador cuando éste va montado en el poste sujetándolo de su gancho superior, el estribo va debajo de la ménsula. Este accesorio está construido en fundición maleable y galvanizado por inmersión. Otra aplicación es en la derivación de las fases al transformador para evitar menor balanceo de éstas. 3.1.4.4 Grapas para ménsulas 3.1.4.4.1 Grapa de sujeción del mensajero Como su nombre mismo lo dice esta grapa es la que sujeta al mensajero cuando la red pasa por el poste, la grapa de sujeción tiene dos muescas de ajuste lo cual permite una gran variedad de calibres de mensajeros. Esta grapa está construida en fundición maleable y galvanizado por inmersión. Debido a las muescas que tiene la grapa, para el tendido de la red se puede escoger el calibre del mensajero correcto sin el peligro de seleccionar un cable de menor calibre o correr con un gasto innecesario por optar por un calibre mayor. A continuación se presenta una gráfica donde se ilustra la estructura formada por la grapa de sujeción al mensajero y el estribo para ménsula tangente. 48 Fig 18. Estructura: Grapa de sujeción del mensajero – Estribo para mésula tangente. [5] 3.1.5 MÉNSULAS Son accesorios donde se montan los espaciadores, o aisladores dependiendo del ángulo de desviación de la red para soportar el tendido del cable. 3.1.5.1 Ménsulas para redes alineadas Estas ménsulas se implementan en redes alineadas o en desvíos de hasta 6º. 3.1.5.1.1 Ménsula tangente o de alineación Su construcción se la realiza mediante fundición de aluminio, además como se explicó anteriormente para la sujeción del mensajero, este tipo de ménsulas tienen una grapa para dicho fin como se puede apreciar en la figura 21. Fig 21. Ménsula tangente para 25 kV. [5] 49 Debido a su carga de rotura de 4000lbs, con estas ménsulas se puede realizar el tendido de vanos largos, es decir mayores a 40m, alineados en forma consecutiva y los tres conductores a la vez lo cual implica redes con menor número de postes, los fabricantes de estos tipos de red realizan la instalación de las ménsulas en los postes mediante pernos pasantes ya que estas redes se instalan en postes de madera o cuadrados con perforaciones, como se aprecia en la figura 3. La E.E.Q. no utiliza postes de madera o cuadrados con perforaciones, por lo cual para fijación de las ménsulas se da como opción a los pernos pasantes los flejes que tienen una tensión de ruptura de 5500lbs. 3.1.5.1.2 Ménsula antibalanceo Estas ménsulas están hechas con alta densidad de polietileno y en su extremo tienen una horquilla para adherirse al espaciador mediante el agujero de acople. Fig 23. Ménsula antibalanceo para 25 kV. [5] La aplicación de estas ménsulas, como su nombre mismo lo dice, es la de detener al espaciador y a través de éste a la red para que no exista balanceo (efecto de vaivén) debido a efectos del viento, eliminando de esta manera los esfuerzos que ejercería el sobre los postes. 3.1.5.2 Ménsulas para redes con ángulos de desvío Todas las clases de ménsulas que se van a ver a continuación tienen un perfil en U con un ancho de 75mm, todas ellas son galvanizadas por inmersión en caliente 50 después de su construcción y tienen refuerzos de hierro soldados en las esquinas para aumentar la resistencia a los esfuerzos. En lo relacionado a la instalación, para nuestro caso, también se va a hacer uso de flejes al igual que con las ménsula tangentes. Los tipos de ménsulas que se tiene para esta aplicación son: - Ménsulas de desvío para redes con un circuito - Ménsulas de desvío para redes con doble circuito - Ménsulas de desvío en configuración vertical - Ménsula de retención terminal Estas ménsulas se implementan en redes que tienen desvíos de 7º a 90º, clasificándose en los siguientes ángulos: Desvíos 7º a 44º Desvíos 45º a 60º Desvíos 61º a 90º Para derivaciones con ángulos comprendidos entre 45º y 60º, con conductores mayores o iguales a 336.4 AWG se necesita una placa para doble aislador o pletina de unión en cada fase para poder tener los ángulos de curvatura que necesita la red, mientras que para ángulos mayores a 60º para cualquier tipo de conductor se necesita esta placa, cuyas características se explican a continuación: - Placa para doble aislador o pletina de unión Como se explicó, este es un accesorio que permite la instalación de 2 aisladores por fase cuando se tienen ángulos de curvatura fuertes dividiendo el esfuerzo mecánico en los 2 pernos de los aisladores. Está construida en fundición maleable y posteriormente galvanizada por inmersión en caliente. [5] 51 Fig 24. Placa para doble aislador. [5] 3.1.5.2.1 Ménsulas de desvío para redes con un circuito Como se puede apreciar en la figura 25, este tipo de ménsula mantiene la configuración original de la red (en triángulo). Otra aplicación de esta ménsula es para vanos largos en línea recta con retención del mensajero, en vez de utilizar el espaciador debido a que el mensajero va retenido al poste mediante el aislador de suspensión. Fig 25. Ménsulas de desvío para redes con un circuito. [5] 52 3.1.5.2.2 Ménsulas de desvío para redes con doble circuito Fig 26. Ménsula de desvío para redes con doble circuito. [5] Esta es una ménsula que se utiliza cuando se tiene una red con doble circuito, aunque la configuración ya no es triangular sino lineal aún se sigue manteniendo el espacio compacto entre las fases sin riesgo alguno de ocurrencia de cortocircuito. 3.1.5.2.3 Ménsulas de desvío en configuración vertical Aunque este tipo de disposición no se implementa en las redes del sector de concesión de la Empresa Eléctrica Quito, se la menciona debido a que forma parte de los implementos de la red con cable protegido, pero para la designación de las disposiciones tipo no se la tomará en cuenta. Esta ménsula tiene las mismas aplicaciones y características que el accesorio anterior sino que en una disposición vertical de los conductores de fase. 53 ] Fig 27. Ménsula de desvío en configuración vertical. [5 3.1.5.3 Ménsula de retención terminal Esta ménsula se utiliza para el fin de circuito, manteniendo la configuración triangular de los espaciadores, el mensajero se monta por encima de la ménsula directamente al poste. ] Fig 28. Ménsula de retención terminal. [5 54 3.1.6 EXTENSIONES DE POSTE Estos accesorios se utilizan para subir las estructuras más allá del alcance del poste, como por ejemplo cuando las casas se salen de la línea de fábrica tanto que prácticamente quedan a pocos centímetros del poste y que aún con el cable protegido pueden correr el riesgo de sufrir alguna descarga, ya que como se sabe existe una corriente peligrosa pero no letal circulando por la superficie del cable. Con el fin de minimizar costos nos hemos visto en la tarea de diseñar, si cabe el término, estructuras híbridas, es decir, combinar accesorios de redes tanto con cable protegido como de cable desnudo teniendo el mismo efecto de alejar las redes de los usuario hasta tener las distancias de seguridad necesarias, dichas estructuras se las va a explicar más adelante en este capítulo. Aunque no se va a utilizar estos accesorios, se los va a describir con la finalidad de saber todas las posibilidades que se tiene para el tendido de estas redes. Todas las extensiones están construidas con un perfil en U de 75mm y galvanizadas por inmersión en caliente después de su construcción. Se pueden utilizar en redes con ángulos de desvío o lineales en las que se requiera altura adicional teniendo en cuenta siempre que las ménsulas que se escojan deben tener la misma distancia entre los agujeros de sujeción que las extensiones. El problema que puede existir con las extensiones es en el momento de tensar al poste cuando se tienen redes con ángulos de desvío. 3.1.6.1 Extensión de poste simple La extensión brinda una altura adicional al poste de 305mm o 12plg despejando la red de los usuarios o de otras redes que pueden estar en el poste, como por ejemplo las redes de teléfono. 55 Fig 29. Extensión de poste simple. [5] 3.1.6.2 Extensión de poste doble La diferencia entre la extensión de poste simple y doble es que la segunda tienen 2 largueros en vez de uno para proveer mayor resistencia mecánica a la red. La extensión de poste doble brinda dos distancias de prolongación: Distancia 1: 1108mm o 44 “ Distancia 2: 1500mm o 59” De ahí tienen las mismas aplicaciones que las anteriores. Fig 30. Extensión de poste doble. [5] 56 Como se observa en la figura 30 se tienen 2 tipos de extensiones de poste doble dependiendo del tipo de ménsula que se vaya a utilizar. 3.2 ESTRUCTURAS TIPO Los accesorios que componen cada una de las estructuras tipo así como el gráfico de ilustración se detallan en el anexo correspondiente, a continuación se dará una breve explicación de cada estructura de acuerdo a su aplicación. 3.2.1 ESTRUCTURAS TANGENTES Este tipo de estructura se utiliza para redes lineales o desvíos con ángulos no mayores a 6º, básicamente se compone de una ménsula tangente, un espaciador y una ménsula antioscilaciones. 3.2.2 ESTRUCTURAS CON ÁNGULOS DE DESVIACIÓN QUE MENORES A 45º Para este tipo de estructuras se utilizan las ménsulas para ángulos de desvío como se analizó anteriormente, con ángulos menores a 45º se necesita un solo aislador tipo pin por cada fase, tomando en cuenta si los ángulos son internos o externos. 3.2.3 ESTRUCTURAS CON ÁNGULOS DE DESVIACIÓN MAYORES A 45º Para redes con ángulos comprendidos entre 45º y 60º este tipo de red utiliza placa para doble aislador siempre y cuando el calibre de la fase sea mayor o igual a 336,4 AWG mientras que para ángulos mayores siempre se utiliza esta placa. 3.2.4 ESTRUCTURA DERIVACIÓN AL TRANSFORMADOR La derivación se la realiza directamente de la línea al transformador mediante una estructura tangente, es decir, ménsulas tangentes, de antibalanceo, espaciadores ya que el transformador está en el poste. 57 Obviamente se tienen derivaciones a transformadores trifásicos y monofásicos como se observará posteriormente en los gráficos de las estructuras de montaje. Para realizar la derivación de las fases al seccionador y de ahí al transformador se utiliza un cable protegido para derivaciones el cual está cubierto de una capa de 3.8mm de espesor, esta capa está hecha de un compuesto elastomérico flexible color negro, disminuyendo las salidas de servicio por algún contacto accidental. A continuación se presenta la forma física del conductor: Fig 31. Cable para derivaciones. [5] 3.2.5 ESTRUCTURA DE TRANSICIÓN DE RED CON CONDUCTOR DESNUDO A RED CON CABLE PROTEGIDO Para esta estructura se utilizan las crucetas convencionales, allí se montan los aisladores tipo pin los cuales van sujetados por un perno espiga para crucetas convencionales, además de un aislador de retención para cada fase tanto para la sujeción de la red desnuda como la red con cable protegido. 3.2.6 ESTRUCTURA DE RETENCIÓN TERMINAL En esta estructura se utiliza la ménsula especificada anteriormente para esta aplicación además de los aisladores de retención que también se los utiliza como fin de circuito. 3.3 ESTRUCTURAS EN VOLADO CON PALOMILLA En sectores donde no se respete la línea de fábrica y las redes de MT no guarden 58 las distancias de seguridad se debería colocar estructuras en volado con palomilla. Basándose en las medidas tanto del espaciador como de las ménsulas que lo sostienen y las distancias de seguridad normadas por la E.E.Q. que son: • Distancia de 65cm entre fases. • Distancia de 65cm de la fase más cercana al poste. Las medidas de la estructura en volado con palomilla para MT son las siguientes: La palomilla se sostiene al poste mediante flejes de acero inoxidable y a esta se asegura las ménsulas con pernos máquina. Con este tipo de estructura se aleja horizontalmente la red guardando las distancias de seguridad. 3.3.1 ESTRUCTURA TANGENTE EN VOLADO Esta estructura se utiliza en redes lineales para lo cual se conforma de una estructura en tangente sujetada a la palomilla antes mencionada para este tipo de aplicación. 59 3.3.2 ESTRUCTURA TERMINAL EN VOLADO Al igual que la estructura anterior aquí se tiene la misma estructura terminal (ménsula, aisladores de retención, etc.) sostenida de una palomilla. 3.4 DESIGNACIÓN DE DISPOSICIONES TIPO Con el fin de obtener criterios técnicos para la normalización, en un futuro, de la implementación y montaje de redes con cable protegido para media tensión e identificar el campo de aplicación de cada una de las estructuras se va a realizar la designación de éstas mediante una referencia alfanumérica donde los símbolos que se anotan a continuación determinan, para cada grupo, las características básicas del diseño de acuerdo con el siguiente ordenamiento y significado: Grupo: el proyecto se va a realizar en una red de distribución por lo que: Red de distribución R Tensión: la tensión que va a existir en la red es de 22,8kV por lo que: 22,8 GRDY/13,2kV V Tipo de Red: Protegida L Función: Transición 0 Alineación 1 60 Angular menor de 60º (conf. Triangular) 2 Angular mayor de 60º (conf. Triangular) 3 Terminal 4 Número de Circuitos: Doble Circuito D 3.5 CÁLCULO MECÁNICO [10] Esfuerzos a que se hallan sometidas las líneas aéreas. Las líneas aéreas de las redes de distribución están sometidas a las acciones del viento y de hielo, como así mismo de las variaciones de temperatura que se producen durante el día. Por lo que respecta a los conductores, las acciones indicadas influirán en su resistencia mecánica, y por ello es necesario que las secciones que se adopten puedan soportar, dentro de los límites de seguridad tolerados, los esfuerzos a que se hallan sometidos, para el caso particular de las redes compactas, por ser el neutro el que soporta en su gran mayoría los esfuerzos mecánicos de la red el mensajero deberá ser dimensionado tomando en cuenta dichos esfuerzos en la red. En cuanto a los apoyos, es preciso que resistan los esfuerzos que sobre ellas actúan: el peso propio, el peso de la costra de hielo y el esfuerzo producido por la acción del viento, en la superficie de apoyo expuesto a dicha acción. 3.5.1 CONDUCTORES Dado que los conductores de fase y mensajero tienen un peso uniformemente distribuido, si cualquiera de estos se encuentran sujetos entre dos apoyos, se formará una catenaria, para efectos del presente trabajo se tomará la parábola como una forma muy aproximada a la catenaria, ya que son muy similares en 61 vanos de hasta 500m, de tal forma que se utilizará de forma indistinta para los cálculos la ecuación de catenaria o parábola. Por lo mencionado anteriormente: ⎡x⎤ Y = Ccosh⎢ ⎥ ⎣C ⎦ 2 Y = a + bx En la catenaria el parámetro C es expresado como: C= To P Donde: To: tensión en Kg. en el punto mas bajo del conductor. P: carga por metro de conductor Reemplazando el parámetro C en la ecuación de la catenaria: Y= To ⎡ Px ⎤ cosh⎢ P ⎣ TC ⎥⎦ Al aproximar a la forma de parábola, la ecuación es: x2 2C To x 2 Y= + P 2C Y =C+ Debido a la existencia de la flecha del conductor la longitud del mismo no será igual a la distancia desde los soportes, por lo que la longitud del cable estará dada por: En base a la ecuación de la catenaria: 62 ⎛ a ⎞ L = 2Csenh⎜ ⎟ ⎝ 2C ⎠ 2To ⎛ Pa ⎞ L= senh⎜ ⎟ P ⎝ 2To ⎠ En base a la ecuación de la parábola: a 2P 2 L =a+ 24To 2 La flecha en base a la ecuación de la catenaria se tiene: ⎡ ⎛ a ⎞⎤ f = C⎢cosh⎜ − 1⎟⎥ ⎝ 2C ⎠⎦ ⎣ f= To ⎡ ⎛ Pa ⎞ ⎤ cosh⎜ ⎟ − 1⎥ ⎢ P ⎣ ⎝ 2To ⎠ ⎦ La flecha en base a la ecuación de la parábola se tiene: f= a 2 a 2P = 8C 8To 3.5.1.1 Tensión y esfuerzo en los conductores [30] Una vez tendido el conductor, el mismo estará sometido a un esfuerzo en cualquier punto del mismo, por lo que: Y= To ⎡ Px ⎤ cosh⎢ P ⎣ TC ⎥⎦ De lo anterior se deduce que para encontrar la tensión del conductor en un punto cualquiera del mismo, se tiene: 63 ⎛ Px ⎞ T(x) = YP = Tocosh⎜ ⎟=T ⎝ To ⎠ Pero para x =0 → T(x) = To T(x), en cualquier punto del conductor de abscisa x tiene como componente horizontal constante, To. La componente vertical se obtiene de las siguientes expresiones: Tv = T(x) 2 − To 2 ⎛ a ⎞ Tv = Tosenh⎜ ⎟ ⎝ 2C ⎠ La tensión TA del conductor en el punto de amarre es mayor que To y están ligadas ambas por la relación TA- To = P.f. La tensión máxima se aplica en el punto más desfavorable, en el extremo del conductor, por lo que: ⎡ a ⎤ TA = TB = TOcosh⎢ ⎥ ⎣ 2C ⎦ Generalmente en las líneas aéreas la flecha es inferior al 2% de la longitud del vano correspondiente, y por ello el término P.f tiene un valor reducido y se considera que TA = To, es decir que existe una tensión prácticamente constante en los diversos puntos de la curva y que éstas son iguales a la tensión en el punto más bajo, para el cual la flecha es máximo. Con la sustitución de la parábola por la catenaria y para vanos menores a 300m, como es lo usual en la E.E.Q. con flechas menores del 6% del vano, el error que se comete en la determinación de la flecha es del orden del 0.5%, error que aumenta con rapidez, y para flechas del orden de un 10% del vano, la ecuación 64 de la parábola da flechas un 2% menores que empleando la ecuación de la catenaria. La flecha dada para la instalación; como se verá mas adelante, para líneas con cable protegido es mucho menor al 2% del vano por lo que el error no será significativo al considerar TA ≈ To, aunque para cálculos mas precisos se deberá considerar TA ≠ To. Los conductores aéreos a más de su propio peso deben soportar otro tipo de cargas que están relacionados directamente con las condiciones ambientales en las que se implantará la red. En el área de concesión de la E.E.Q. los factores a tomar en cuenta y que someterán a esfuerzos significativos en la línea será el viento, ya que aumenta el peso unitario del conductor. A continuación se detallará los efectos que ocasionan principalmente la temperatura y hielo. - Temperatura Influye directamente sobre los conductores de las líneas y el mensajero principalmente, de tal forma que si la temperatura sube aumenta la longitud del hilo, por tanto la flecha correspondiente, y disminuye la tensión. Por el contrario, si disminuye la temperatura la flecha se reduce y aumentará la tensión. - Hielo El peso específico del hielo es débil, sin embargo, cuando se adhiere al conductor, el peso de la capa de hielo llega a superar incluso el peso propio del conductor. - Viento La presión unitaria del viento en Kg/m sobre el conductor, depende de la velocidad del viento y el área de sección expuesta al viento, por lo cual existe una 65 relación con la capa de hielo. Una vez enumerados los factores principales que someterán a la línea a sobrecargas, podemos obtener expresiones matemáticas que relacionen dichas sobrecargas. - Sobrecarga de viento Cuando el viento sopla en dirección transversal a la línea, se ejerce una presión (fuerza en cada unidad de superficie) sobre los conductores. La carga unitaria en un conductor debida a la acción del viento (pv), es el resultado de multiplicar la presión que actúa sobre el mismo por el diámetro del conductor: pv = Pv * d Donde: pv: fuerza o carga unitaria en kp/m en dirección normal al cable y horizontal. Pv: presión del viento [kp/m2]. d: diámetro del cable [m]. La carga unitaria total con viento (peso más viento) (Fig. 1), será: β Fig.1 Presión del viento sobre superficies cilíndricas. De la Fig.1 podemos decir que bajo la acción del viento la flecha calculada es inclinada, en la dirección de pt = pv/p (β: ángulo de oscilación). 66 La flecha vertical es la calculada para p, aunque la que se considera siempre en los cálculos, para todos los efectos es, la flecha inclinada. - Sobrecarga de hielo Existen zonas en las que las condiciones meteorológicas y la temperatura determinan la formación de un manguito o costra de hielo alrededor de los conductores como anteriormente se mencionó, de tal manera que si Φ C es el diámetro en milímetros del conductor, con una costra de hielo de e mm de espesor, la superficie neta de costra de hielo será, Sh: Sh = π ((Φ C + 2e) 2 − Φ C2 ) 4 S h = π ( e 2 + eΦ C ) S h = 10 −6 π (e 2 + eΦ C ) Considerando que la densidad del hielo es 897.12kg/m3, el peso unitario será: ph = 897.12π (e 2 + eΦ C ) [kg/m] El peso unitario total debido al propio cable más el hielo, será: pt = p + ph Si se considerara de forma simultánea sobrecargas por hielo y viento la carga unitaria total que se tendría se encuentra representada en la siguiente figura: β 67 Obteniéndose la expresión: pt = (p + ph)2 + pv 2 Para el presente proyecto de titulación, el esfuerzo debido a la sobrecarga de hielo será nulo, debido a que en la mayor parte del área de concesión de la E.E.Q. no se forma hielo, pero las expresiones analizadas anteriormente deberán aplicarse si la red atravesara lugares en donde las condiciones climáticas permitieran formación de la costra de hielo sobre los conductores, por otra parte será tomado en cuenta la sobrecarga de viento para los cálculos de esfuerzos mecánicos del conductor. Utilizando la ecuación de la catenaria y de la parábola se obtiene la siguiente tabla para el cálculo de la flecha, adicionalmente está una columna con la diferencia porcentual entre parábola o catenaria. VANO 30 35 40 45 50 60 70 80 90 f EC. CATENARIA 0.01242441 0.01691101 0.02208785 0.02795493 0.03451227 0.04969768 0.06764408 0.08835149 0.1118199 f PARÁBOLA DIFERENCIA. PORCENTUAL 0.01242441 2.2865E-05 0.016911 3.1129E-05 0.02208784 4.0659E-05 0.02795492 5.1454E-05 0.03451224 6.3527E-05 0.04969763 9.1478E-05 0.067644 0.00012451 0.08835135 0.00016262 0.11181967 0.00020582 3.5.2 ECUACIÓN DE CAMBIO DE CONDICIONES La ecuación de cambio de condiciones (ecc) o ecuación de cambio de estado (ece) relaciona dos estados diferentes de un cable tendido entre dos puntos, es decir, para un cable dado, tendido en un vano de longitud dada, si se conoce la tensión (y/o la flecha) a una temperatura y una sobrecarga (estado inicial), se puede conocer la tensión (y/o flecha) a otra temperatura y otra sobrecarga (estado final). 68 Lo importante de esta ecuación es que nos permite conocer los esfuerzos a nuevas condiciones climáticas, así como las flechas para cada una de estas condiciones, para esto debemos definir los estados básicos considerados en la E.E.Q. definidos en el Informe No.1 realizado para la Empresa. Tabla 1 Estado I Temperatura mínima: 0°C, sin viento (S/V) Estado II Temperatura: 10°C, viento máximo Estado III Temperatura promedio (EDS): 25°C, S/V Estado IV Flecha máxima: 50°C, S/V El cálculo de las tensiones y flechas aplicando la ecc se lo realiza para vanos de 40m y 100m del primario 19G en 1km de conductor, su desarrollo se encuentra en el anexo 5 y los resultados son los siguientes: • Para el conductor de fase 3x(2/0)+252AWA en un vano de 40m: Sin viento: T [kg] f [m] 0ºC 1716.03 0.27 25ºC 50ºC 1506.96 1305.75 0.31 0.36 Con viento: T [kg] f [m] • 10ºC 1713.17 0.43 Para el conductor de fase 3x(2/0)+0000127AWA en un vano de 100m: Sin viento: T [kg] f [m] 0ºC 4793.72 0.79 25ºC 50ºC 4116.42 3487.75 0.93 1.09 Con viento: T [kg] f [m] 10ºC 4784.31 1.15 69 Debido a la ausencia de los cables AWA y AW en el país, se utilizará los cables HS y EHS. • Para el conductor de fase 3x(2/0)+3/8HS en un vano de 40m: Sin viento: T [kg] f [m] 0ºC 1498.44 0.32 25ºC 50ºC 1255.65 1048.91 0.39 0.46 Con viento: T [kg] f [m] • 10ºC 1581.37 0.47 Para el conductor de fase 3x(2/0)+1/2EHS en un vano de 100m: Sin viento: T [kg] f [m] 0ºC 3867.62 0.90 25ºC 50ºC 3297.79 2809.31 1.05 1.20 Con viento: T [kg] f [m] 10ºC 4072.62 1.20 3.5.3 POSTES [15] En la E.E.Q. los postes más utilizados son aquellos conformados de hormigón centrifugado, aunque en distintas áreas se encuentran otros tipos de poste como son de madera, metálicos, además de otro tipo de construcción y geometría utilizando hormigón. Para el presente estudio se realizarán los cálculos correspondientes para postes de hormigón centrifugado por ser estos los más utilizados en la E.E.Q.; este tipo de postes en comparación con los antes mencionados presentan la ventaja de que su duración es relativamente ilimitada, aunque son mas costosos y debido a que tienen un peso considerable, aumentarán los gastos de transporte, pero al 70 tratarse de redes protegidas se podría utilizar la postería existente y utilizar los postes por donde está instalada la red desnuda y colocar adicionalmente una red compacta reduciendo de forma significativa los costos de instalación para este tipo de red; un análisis económico mas detallado de la red protegida se verá en el capítulo IV . Los postes de hormigón centrifugados se fabrican por un proceso de centrifugación. En un molde apropiado se colocan las armaduras que constituyen la parte metálica de la construcción, y una vez relleno de hormigón se imprime al molde un movimiento rotatorio alrededor del eje longitudinal del poste, y por efecto de una fuerza centrífuga, el hormigón sufre una fuerte compresión que determina un aumento de resistencia. Las armaduras empleadas, en los postes de hormigón, son de hierro cuya carga de rotura horizontal es de 40 a 42kg/mm2, y el coeficiente de elasticidad 22kg/mm2; es lo común emplear varilla de sección circular, pero puede utilizarse varilla de sección cuadrada o rectangular. La dosificación del hormigón para obtener un metro cúbico de este material será: Gravilla (cuya dimensión mayor sea de 25mm).................... 0.9m3 Cemento Pórtland (de fraguado lento)................................... 300kg Arena..................................................................................... 0.4m3 Los postes que utiliza la E.E.Q. en la red desnuda con cable calibre 336.4 AWG son de 11.5m, 500kg y toleran las siguientes tensiones calculadas por medio de la ecuación de cambio de estado: 71 Red Monofásica • Para vanos de 40m: Sin viento: T [kg] 0ºC 2143.39 25ºC 1391.3 T [kg] 10ºC 1856 0ºC 2104.16 25ºC 1422.22 T [kg] 10ºC 1906.69 50ºC 701.18 Con viento: • Para vanos de 100m: Sin viento: T [kg] 50ºC 894.78 Con viento: Red Trifásica • Para vanos de 40m: Sin viento: T [kg] 0ºC 6430.17 25ºC 50ºC 4173.90 2103.54 Con viento: T [kg] • 10ºC 5568 Para vanos de 100m: Sin viento: T [kg] 0ºC 6312.48 25ºC 50ºC 4266.66 2684.34 Con viento: T [kg] 10ºC 5720.07 72 Con los cálculos obtenidos se justifica el uso de dichos postes en la red de cable protegido, debido a que las tensiones que soportan los postes son menores que en red desnuda. 3.6 CRITERIOS TÉCNICOS PARA EL USO DE CABLE PROTEGIDO 3.6.1 AISLAMIENTO La clase de aislamiento que se asigna para los conductores de fase en redes compactas es el polietileno reticulado (plástico termoestable), extra limpio, cuya característica es el incremento de la resistencia a los esfuerzos mecánicos con un buen desempeño en ambientes húmedos y secos, ya que es el material preferido por los fabricantes y consecuentemente de mas fácil adquisición en nuestro medio. 3.6.2 CONDUCTOR DE FASE El tipo de conductor de fase puede ser de aleación de aluminio 6201 AAAC (All Aluminium Alloy Conductor) con una conductividad del 52.5% y una densidad de 2.690g/cm³, lo que deriva en una mayor carga a la rotura, caso contrario sería factible la utilización del conductor de aluminio ASC ó 1350-AAC cuya conductividad es del 61%, pero se debe tener en cuenta que la relación carga a la rotura/peso no es muy buena por lo que no es ideal para vanos largos, dichos conductores son los existentes en el mercado. 3.6.3 CABLE MENSAJERO El material del cable mensajero sería acero revestido con aluminio cableado con aluminio 1350-H19, dependiendo del esfuerzo mecánico a realizarse se tiene mensajero AWA (Alumoweld Aluminium) para cargas de roturas menores o AW (Alumoweld) para cargas de roturas mayores. 73 Una alternativa a los conductores antes mencionados es el cable high straight (HS) ó del extra high straight (EHS) respectivamente, son de acero su conductividad es muy baja y para realizar la función del neutro se necesitaría un conductor extra. Los conductores AWA y AW se los puede importar, mientras que los HS y EHS se los consigue en el país. 3.6.4 COMPOSICIÓN CABLE PROTEGIDO El espesor y orden de las capas de aislamiento del cable desde el interior al exterior, según fabricantes y proveedores, son: - Semiconductor extruido XLPE con un espesor de 0.015” [0.508 mm]. - Capa aislante de XLPE de baja densidad de 0.125” [3.175 mm]. - Capa aislante de XLPE de alta densidad antideslizante resistente al tracking de 0.125” [3.175 mm]. 3.6.5 NORMAS DE REFERENCIA El cable deberá satisfacer los requerimientos referidos a las siguientes normas o sus equivalentes para cables aislados: IRAM: Instituto Argentino de Normalización y Certificación ICEA: Insulated Cable Engineers Association IEC: International Electrotechnical Comisión ASTM: American Society of Testing and Materials 3.6.6 COMPONENTES DE ESTRUCTURAS 3.6.6.1 Espaciadores El material del cual están hechos los espaciadores es de alta densidad de polietileno, separa y sostiene las fases en configuración triangular, consta de un agujero para la sujeción de la ménsula antioscilaciones, puede tener grapas 74 incorporadas para sostener las fases o anillos de sujeción para el mismo efecto y presenta alta resistencia a los impactos por arma de fuego. 3.6.6.2 Aisladores - Aisladores tipo PIN El material será de polietileno de alta densidad, resistentes al tracking y a los impactos por arma de fuego, peso aproximado de 2lbs. Se aplican en estructuras con ángulo de desvío. - Sujeción de las fases al aislador Se sostiene las fases al aislador de dos maneras: • Alambre recubierto para ataduras: alambre de aluminio blando #4 AWG recubierto por una capa de 1.14mm (0.045”) de espesor, extruida en caucho termoplástico (TPR). • Aisladores tipo pin con grapas incorporadas - Pernos para aislador o perno espiga Se tiene dos tipos de pernos: • Perno para montaje en ménsula (cola corta), ørosca = 3.4925cm. • Perno para montaje en cruceta (cola larga), ørosca = 2.54cm. - Aisladores para retención El material del núcleo es de fibra de vidrio revestida por una cubierta polimérica, buena resistencia mecánica. Resistencia al vandalismo y a la intemperie, evitan fugas de corriente y tienen buena hidrofobicidad. 3.6.6.3 Soportes de montaje - Grapas de retención preformadas Existen dos grapas de retención preformadas: • Para mensajero: con similar capacidad mecánica del mensajero, se aplican en vanos largos, estructuras terminales y de desvío. 75 • Para conductor: se aplican en estructuras terminales o de transición. - Horquillas Existen las siguientes horquillas: • Horquilla con pasador: sostiene los aisladores de suspensión a las ménsulas. • Guardacabo horquilla: se montan en las curvas de las grapas de retención, carga de rotura 11000lbs y peso 1lb. • Guardacabo horquilla para servicio pesado: carga de rotura 40000lbs con un peso de 1.20lbs. - Estribo para ménsula tangente Se fabrica en fundición maleable y galvanizado por inmersión, sostiene al espaciador cuando éste va montado sobre el poste. - Grapas para ménsulas Se presentan dos grapas para ménsulas: • Sujeción del mensajero: construida en fundición maleable y galvanizado por inmersión. Sujeta al mensajero cuando éste pasa por el poste. • Desvío del mensajero: construida en fundición maleable y galvanizado por inmersión. Se aplican en redes con ángulos de desvío. 3.6.6.4 Ménsulas Las ménsulas, de acuerdo al ángulo de desviación de la red son: - Para redes alineadas • Ménsula tangente: hecha de fundición de aluminio. Carga de rotura de 4000lbs. Montaje en el poste para sostener el mensajero y al espaciador. • Ménsula antibalanceo: hecha de alta densidad de polietileno. Instalada en los postes para la sujeción del espaciador en su parte inferior y no exista balanceo. - Para redes con ángulos de desvío de 7º a 90º 76 General: tienen un perfil en U con un ancho de 75mm, galvanizadas por inmersión en caliente después de su construcción. • Ménsulas de desvío para redes con un circuito: refuerzos de hierro soldados en las esquinas. • Ménsulas de desvío para redes con doble circuito: refuerzos de hierro soldados en las esquinas. - • Ménsulas de desvío en configuración vertical • Ménsula de retención terminal: para final de circuito. Placa doble aislador o pletina de unión: está construida en fundición maleable y posteriormente galvanizada por inmersión en caliente. Permite el montaje de 2 aisladores por fase para ángulos de desviación fuertes. 3.6.6.5 Extensiones de poste Las extensiones de poste se construirían con un perfil en U de 75mm y galvanizadas por inmersión en caliente después de su construcción. Despejan la red de los usuarios o de otras redes que estén en el poste. Las extensiones de poste son: - Simple: altura adicional de 305mm. - Doble: 2 distancias de prolongación 1108mm y 1500mm. 3.6.6.6 Estructuras Tipo Se propone las siguientes estructuras tipo: - Estructuras tangentes: compuestas por la ménsula tangente, antibalanceo y el espaciador, van montadas en los postes para redes lineales. - Estructuras con ángulos de desvío menores a 45º: compuestas por ménsulas para redes con ángulos de desvío, un aislador tipo pin por fase. Estructuras con ángulos de desvío mayores a 45º: compuestas de las mismas ménsulas anteriores pero en este caso se necesitan 2 aisladores tipo pin por fase y por ende 3 placas doble aislador. 77 - Estructura para derivación al transformador: básicamente es la estructura tangente, en la cual las fases se derivan al transformador. - Transición red desnuda-red protegida: se componen de las crucetas convencionales, aisladores tipo pin pero con pernos espiga para montaje en cruceta, pararrayos y aisladores de retención para cada fase tanto del lado de la red desnuda como de la protegida. - Estructura terminal: se compone por la ménsula terminal y por los aisladores de retención. 3.6.6.7 Estructuras en Volado con Palomilla Las estructuras en volado con palomilla cumplen con las distancias de seguridad, alejando horizontalmente la red. 3.6.6.8 Montaje de estructuras La sujeción de las ménsulas tanto alineadas como de desviación se sostienen mediante flejes de acero inoxidable de: • 19.1mm de ancho y 0.76mm de espesor (ménsula antibalanceo). • 31.8mm de ancho y 0.76mm de espesor (resto de ménsulas). 3.6.6.9 Instalación en zonas urbanas Se sitúa la red compacta en donde no se cumpla con las distancias de seguridad, debido a que la corriente de descarga no sobrepasa 25mA, por lo que el ser humano no sufre electrocución si llega a tocar accidentalmente el cable. 3.6.6.10 Instalación en bosques Se ubica la red compacta en bosques, ya que si existe algún toque de ramas no se produce una suspensión del suministro eléctrico, además de contribuir con la preservación del medio ambiente evitando la tala innecesaria de árboles. 78 3.6.6.11 Esfuerzos mecánicos Los límites de los esfuerzos mecánicos se basan en los valores establecidos en las normas de la EEQ: - La tensión que soporta el mensajero no debe pasar del 33% del valor de rotura del cable. - El valor de la flecha no debe ser mayor al 1,2% de la distancia del vano. Las condiciones anteriores se deben cumplir independientemente del escenario climático (viento y temperatura) dispuesto por la EEQ para los correspondientes cálculos.