Cable eléctrico aéreo: tipos, selección e instalación

Seleccionando el correcto cable eléctrico aéreo Para una línea de transmisión o distribución se requiere equilibrar tres variables interdependientes: Capacidad de transporte de corriente continua, resistencia a la tracción mecánica y comportamiento de hundimiento a largo plazo bajo la temperatura máxima de funcionamiento. . Para la mayoría de las aplicaciones de media y alta tensión, el conductor de aluminio reforzado con acero (ACSR) sigue siendo la opción predeterminada porque el núcleo de acero galvanizado transporta aproximadamente entre el 55 % y el 65 % de la tensión total, mientras que los hilos de aluminio transportan la corriente, una separación de funciones que ningún conductor homogéneo puede igualar a un costo equivalente.

Tipos de conductores y composición de materiales.

Los cables eléctricos aéreos se clasifican según los materiales y la configuración del trenzado del conductor. Las tres principales familias de conductores desnudos dominan el mercado, cada una de ellas adecuada para distintas longitudes de tramo y condiciones ambientales.

ACSR, o conductor de aluminio reforzado con acero, consiste en un núcleo de acero trenzado concéntrico rodeado por una o más capas de hilos de aluminio 1350-H19 estirados en duro. El núcleo de acero, disponible en varios grados de resistencia, proporciona la columna vertebral de tracción, mientras que las capas de aluminio transportan la corriente con una conductividad de 61,2% SIGC (Norma Internacional de Cobre Recocido). Un conductor ACSR "Drake" típico, con un trenzado 26/7 y un diámetro total de 28,14 mm, logra una resistencia a la tracción nominal de 140 kN y una ampacidad continua de aproximadamente 907 amperios a 75°C en condiciones de viento moderado.

ACAA, el conductor de aleación de aluminio, utiliza un trenzado homogéneo de alambres de aleación de aluminio 6201-T81. Esta aleación incorpora magnesio y silicio para lograr una resistencia a la tracción aproximadamente el doble que la del aluminio conductor eléctrico 1350-H19, eliminando la necesidad de un núcleo de acero. Los conductores AAAC se especifican cuando la corrosión del núcleo de acero es una preocupación, particularmente en entornos costeros o industriales con cloruros o compuestos de azufre en el aire. La ausencia de un núcleo de acero magnético también elimina la histéresis y las pérdidas por corrientes parásitas, lo que reduce la resistencia de CA en aproximadamente 3 % a 5 % en comparación con un ACSR de diámetro equivalente bajo la misma corriente de carga.

AAC, el conductor totalmente de aluminio fabricado íntegramente con hilos 1350-H19, ofrece la mayor conductividad por unidad de peso pero la menor resistencia a la tracción. Su uso se limita a tramos cortos en redes de distribución urbana y a goteros de barras colectoras dentro de subestaciones, donde la longitud del tramo rara vez supera los 50 metros y no se requiere que el conductor soporte altas cargas de hielo o viento.

Rendimiento comparativo de tipos de conductores estándar.

Fundamentos de ampacidad y clasificación térmica

La ampacidad de un cable eléctrico aéreo no es un número fijo sino una función del equilibrio térmico entre las pérdidas resistivas (calentamiento I²R), la radiación solar absorbida por la superficie del conductor, el enfriamiento convectivo del viento y la pérdida de calor radiativo hacia el cielo. El estándar IEEE 738 define la ecuación térmica en estado estacionario que gobierna este equilibrio. Bajo los peores supuestos de pleno sol, baja velocidad del viento de 0,6 m/s y una temperatura ambiente de 40°C, la ampacidad de un conductor dado puede ser 25% a 35% menos que el valor publicado para condiciones primaverales moderadas.

La temperatura de funcionamiento del conductor es la variable independiente que controla el hundimiento. Los conductores ACSR estándar están clasificados para funcionamiento continuo a 75°C, 90°C o 100°C , con temperaturas más altas permitidas para emergencias o condiciones de carga máxima a corto plazo. Por encima de los 93°C, los hilos de aluminio comienzan a recocerse, reduciendo permanentemente su resistencia a la tracción. Los conductores de alta temperatura y baja caída (HTLS), como ACSS, G(Z)TACSR y ACCR, utilizan núcleos compuestos o de aluminio completamente recocidos para operar continuamente a 150°C a 210°C , duplicando aproximadamente la ampacidad de una línea ACSR convencional dentro del mismo derecho de paso sin requerir torres más altas.

Cálculo de la tensión de hundimiento y práctica de tendido.

La relación entre la tensión del conductor y el pandeo se rige por la ecuación de catenaria, que para tramos inferiores a 300 metros se simplifica a una aproximación parabólica con un error aceptable. El proceso de diseño comienza con el concepto de tramo gobernante, una longitud de tramo promedio ponderada que representa el comportamiento mecánico equivalente de una sección de tensión completa entre estructuras sin salida. La tensión inicial descargada a la temperatura de encordado más baja, típicamente -20°C o 0°F , debe configurarse de manera que el conductor no exceda el 60% de su resistencia a la rotura nominal bajo la combinación de carga de hielo y viento más severa especificada por el Código Nacional de Seguridad Eléctrica (NESC) para el distrito geográfico de carga.

Encordar no es simplemente tirar del conductor hasta una tensión objetivo y sujetarlo. El conductor debe tensarse hasta un valor de flexión medido observando a lo largo del tramo con un sagómetro digital o de tránsito, con el conductor a una temperatura uniforme conocida. Para un tramo de 300 metros de ACSR Drake a 15°C sin viento ni hielo, el hundimiento objetivo es de aproximadamente 6,5 metros , correspondiente a una tensión horizontal de aproximadamente 17 kN. Después de engancharse, el conductor se relaja debido al asentamiento del hilo y la fluencia metalúrgica, perdiendo aproximadamente 10% a 15% de la tensión inicial durante las primeras 1.000 horas de servicio . El pandeo del encordado debe anticipar esta fluencia apuntando a una sobretensión del 10% al 12%, que luego se relaja hasta el pandeo final de diseño.

Vibración eólica y amortiguación de conductores.

Cuando un viento laminar constante pasa a través de un cable aéreo a velocidades de entre 1 y 7 m/s, genera vórtices de Kármán alternos que inducen una fuerza de sustentación cíclica perpendicular a la dirección del viento. Esta vibración eólica, con frecuencias típicamente en el rango de 3 a 150Hz , obliga al conductor a oscilar en o cerca de una frecuencia de resonancia natural de uno de sus modos de vibración más altos. La tensión de flexión resultante en la abrazadera de suspensión del conductor, donde el movimiento está completamente restringido, excede el límite de resistencia a la fatiga del aluminio de aproximadamente 57 MPa (8,3 ksi) dentro de decenas de millones de ciclos, que se acumulan en cuestión de días durante condiciones de viento constante.

La mitigación utiliza amortiguadores Stockbridge, amortiguadores de vibraciones en espiral (formalmente llamados amortiguadores de hueso de perro o elementos amortiguadores en forma de espiral) o amortiguadores espaciadores en haces de conductores. Un amortiguador Stockbridge correctamente sintonizado tiene dos frecuencias resonantes que abarcan la frecuencia del conductor dominante, absorbiendo energía vibratoria a través de la fricción interna de sus hilos de cable mensajero. La distancia de colocación del amortiguador desde la abrazadera no es arbitraria; debe colocarse en un punto donde la amplitud del antinodo de vibración del conductor sea suficiente para excitar el amortiguador. Para una línea típica de 132 kV con conductor ACSR Lynx, se coloca la primera compuerta 0,8 a 1,2 metros desde la boca de la abrazadera de suspensión , con una segunda compuerta de 1,8 metros en luces superiores a 400 metros.

Descarga de corona y gestión de campos electromagnéticos.

A voltajes de transmisión de 230 kV y superiores, el gradiente del campo eléctrico en la superficie del conductor se aproxima a la resistencia a la ruptura dieléctrica del aire, aproximadamente 30 kV/cm al nivel del mar . Cuando el gradiente de la superficie excede aproximadamente 17 kV/cm en condiciones secas, se inicia la descarga en corona, lo que produce ruido audible, interferencia de radio (RI) en la banda de 0,5 a 1,6 MHz y pérdida de energía. El gradiente de la superficie es inversamente proporcional al radio del conductor; un solo conductor por fase debe tener un diámetro de al menos 24 mm para 230 kV y 32 mm para 345 kV para mantener el gradiente por debajo del umbral de corona.

Los conductores agrupados solucionan este problema dividiendo la corriente de fase entre dos, tres o cuatro subconductores separados por espaciadores rígidos a intervalos de 30 a 45 cm. Un haz doble de conductores de 28 mm de diámetro a 400 kV alcanza un diámetro equivalente de aproximadamente 180 milímetros en términos de distribución del campo eléctrico, reduciendo el gradiente de la superficie en un factor de aproximadamente tres en comparación con un solo conductor de área transversal total equivalente. El espaciado de los espaciadores se elige para optimizar el equilibrio entre la uniformidad del campo eléctrico y la estabilidad mecánica contra la oscilación inferior al tramo, un fenómeno en el que el conductor de barlovento protege al de sotavento, creando una inestabilidad aerodinámica que impulsa movimientos elípticos de latigazo.

Selección de aisladores y coordinación de distancias de fuga.

El conductor aéreo está soportado mecánicamente y aislado eléctricamente mediante cadenas de aisladores de suspensión o tensión. La distancia de fuga del aislador, la longitud del camino a lo largo de la superficie del aislador desde el extremo energizado hasta el extremo conectado a tierra, debe ser suficiente para evitar descargas disruptivas en condiciones de humedad contaminada. La distancia de fuga específica se define en mm de fuga por kV de tensión entre fases del sistema. Para áreas de contaminación lumínica, una fuga específica de 16 mm/kV es adecuado; para niebla salina costera o industrial pesada, 31 mm/kV o más se especifica, lo que se logra mediante el uso de cuerdas más largas o aisladores tipo niebla con faldones más profundos.

Los aisladores poliméricos compuestos con cobertizos de caucho de silicona han desplazado en gran medida a las cadenas de pasadores y tapas de porcelana y vidrio para nuevas construcciones a 138 kV y menos, y están ganando aceptación a niveles EHV. La superficie hidrófoba del caucho de silicona hace que el agua forme gotas en lugar de formar una película conductora continua, suprimiendo la corriente de fuga al un factor de 10 a 100 en comparación con una superficie de porcelana hidrófila en idénticas condiciones de contaminación. El principal modo de falla de los aisladores compuestos es la fractura frágil de la varilla del núcleo de fibra de vidrio por ataque de ácido o ingreso de agua en un sello de extremo defectuoso, un mecanismo que requiere un monitoreo continuo de la carga mecánica y una inspección visual de la integridad de la carcasa.

Compatibilidad de uniones, remates y hardware

Toda la línea aérea es tan fiable como sus uniones y terminaciones. Las uniones a mitad de tramo, requeridas para longitudes de conductores que exceden las capacidades de carrete estándar, deben alcanzar una resistencia a la tracción de al menos 95% de la resistencia a la rotura nominal del conductor. y una resistencia eléctrica que no exceda el 75% de la longitud equivalente del conductor no unido. Las juntas de tensión total del tipo compresión, aplicadas con una matriz hexagonal y una prensa hidráulica con capacidad de 700 bar (10 000 psi), son el estándar de la industria. El cuerpo de la junta es un manguito de aluminio que se desliza sobre los hilos de aluminio y un manguito de acero separado que sujeta el núcleo de acero. Las dos mangas están estampadas de forma independiente; primero el manguito de acero, que transfiere toda la tensión nominal a través del núcleo, seguido por el manguito de aluminio, que transporta la corriente alrededor de la junta de acero.

La corrosión galvánica bimetálica ocurre dondequiera que los hilos conductores de aluminio entren en contacto con herrajes de aleación de cobre en presencia de un electrolito. El aluminio, al ser anódico con respecto al cobre, se corroe sacrificialmente. Todos los conectores de compresión y cuerpos de abrazadera para conductores de aluminio deben estar hechos de aleación de aluminio o estar completamente estañados para evitar el contacto directo de cobre con aluminio. En las estructuras sin salida de las subestaciones donde la línea aérea de aluminio hace transición a la red de bus de cobre, un terminal de transición bimetálico soldado por fricción aísla los dos metales al tiempo que proporciona una ruta de corriente de baja resistencia nominal para toda la corriente de cortocircuito de la línea.