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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
“CALCULO DE LA TENSIÓN MECÁNICA Y PARÁMETRO DEL CABLE CONDUCTOR
Y CABLE DE GUARDA, PARA EL DISEÑO DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN POR MEDIO
DE LA ECUACIÓN DE CAMBIO DE ESTADO, UTILIZANDO HOJA DE CALCULO”
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO ELECTRICISTA
PRESENTAN:
AARON GARCÍA LÓPEZ JULIO CESAR RODRÍGUEZ LÓPEZ
ASESORES:
ING. FRANCISCO JAVIER PALACIOS DE LA O
ING. DANIEL ANTONIO MATA JIMÉNEZ
MÉXICO, D.F. 2010
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LOPEZ MATEOS"
TEMA DE TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO ELECTRICISTA
TESIS COLECTIVA y EXAMEN ORAL INDIVIDUALPOR LA OPCION DE TITULACION C. AARON GARCÍA LÓPEZDEBERA(N) DESARROLLAR C. JULIO CESAR RODRÍGUEZ LÓPEZ
"CALCULO DE LA TENSIÓN MECÁNICA Y PARÁMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA, PARA EL DISEÑO DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN POR MEDIO DE LA
ECUACIÓN DE CAMBIO DE ESTADO, UTILIZANDO HOJA DE CALCULO"
• • •
•
MÉXICO D.F. A 18 DE JULIO DE 2010
ASESORES
IN:i\llllillf~ATAJIMÉNEZ ~~ ~ \)ltlOOS*
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JE""TURADE / • INOEMIERlA ELECTRICA
ING. ENRIQUE MARTINEZ ROLDAN JEFE DEL DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE
INGENIERÍA ELÉCTRICA
“CALCULO DE LA TENSIÓN MECÁNICA Y PARÁMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA, PARA EL DISEÑO DE LÍNEAS DE
TRANSMISIÓN POR MEDIO DE LA ECUACIÓN DE CAMBIO DE ESTADO, UTILIZANDO HOJA DE CALCULO”
EL SISTEMA DE TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE ELECTRICIDAD SE COMPONE DE MILES DE KILÓMETROS DE LÍNEAS TRANSMISION, SUBESTACIONES Y DEMÁS EQUIPOS INTERCONECTADOS, LOS CUALES EN SU CAMINO, ATRAVIESAN POR DIFERENTES ZONAS GEOGRÁFICAS DEL PAÍS. PARA ESTUDIAR EL COMPORTAMIENTO DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN, ESPECÍFICAMENTE DEL CABLE CONDUCTOR Y GUARDA, SE DESARROLLARA UNA HOJA DE CALCULO PARA OBTENER EL PARÁMETRO ADECUADO PARA LAS CONDICIONES CLIMATOLÓGICAS QUE SE PRESENTEN EN LA TRAYECTORIA DE LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN.
INTRODUCCIÓN ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN CALCULO DE LA TENSIÓN MECÁNICA DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
CONCLUSIONES
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL ZACATENCO
T EMA DE T E S I S P RO F E S I ONA L QUE PARA OB T EN E R E L T Í T U LO DE I N G E N I E R O E L E C T R I C I S T A
P R E S E N T A N AARÓN GARCÍA LÓPEZ
JULIO CESAR RODRÍGUEZ LÓPEZ
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
CONTENIDO
CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN. CAPÍTULO II ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN. CAPÍTULO III CÁLCULO DE LA TENSIÓN MECÁNICA DEL CABLE CONDUCTOR Y
CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN. CONCLUSIONES APÉNDICE A PAGINAS 9 Y 10 DE LA ESPECIFICACIÓN PARA DISEÑO DE LÍNEAS DE
TRANSMISIÓN DE CFE APÉNDICE B PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN. APÉNDICE C TORRES DE TRANSMISIÓN VARIAS.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
INDICE
CAPITULO I "INTRODUCCION" INTRODUCCION 1 I.1 DESCRIPCION DE UN SISTEMA ELECTRICO DE POTENCIA 2 I.2 .NIVELES DE TENSION 2
I.3 LOS SISTEMAS DE TRANSMISION Y DISTRIBUCION 3
CAPITULO II "ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE LAS LINEAS DE TRANSMISION" II.1 ESTRUCTURAS 7
II.1.1TORRES AUTOSOPORTADAS DE CELOSIA 7 II.1.2 TORRES AUTOSOPORTADAS TIPO TUBULAR 9
II.1.3 TORRES CON RETENIDAS 10
II.2 DEFINICION DE CAPABILIDAD DE LAS LINEAS DE TRANSMISION 11 II.2.1 LIMITE TERMICO 11
II.2.2 CAIDA DE TENSION 11 II.2.3 LIMITE DE ESTABILIDAD EN ESTADO PERMANENTE 12
II.3 REPRESENTACION DE LAS LÍNEAS DE TRANSMISION 12
II.4 TIPO DE CONDUCTORES PARA FASE UTILIZADOS EN LINEAS 13
II.4.1 CABLES DE GUARDA 20 II.4.2 CARACTERISTICAS GENERALES DE LOS CABLES DE GUARDA 20 II.4.3 CARACTERISTICAS DE LOS CABLES DE GUARDA CON FIBRA OPTICA 21
CAPITULO III “CALCULO DE TENSION MECANICA DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LINEAS DE TRANSMISION” III.1 CÁLCULO DEL PARÁMETRO A PARTIR DE LA ECUACIÓN DE CAMBIO DE ESTADO 24
III.1.1 ACCIÓN DEL VIENTO 26
III.1.2 ACCIÓN DEL HIELO 27
III.1.3 ACCIÓN DE LA TEMPERATURA 27
III.2 ECUACIÓN DE CAMBIO DE ESTADO 28
III.3 EJEMPLO PRACTICO DEL CÁLCULO DE LA TENSIÓN MECÁNICA Y PARAMETRO DEL CONDUCTOR A PARTIR DE LA ECUACIÓN DE CAMBIO DE ESTADO. 28
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
III.3.1 DATOS BÁSICOS DEL PROYECTO 29 III.3.2 DETERMINACIÓN DE LA FLECHA DE LA CATENARIA POR LIBRAMIENTO EN TERRENO PLANO 34 III.3.3 DETERMINACIÓN DEL CLARO MÁXIMO POR LIBRAMIENTO EN TERRENO PLANO 34 III.3.4 CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO PARA EL CABLE CONDUCTOR 1113 ACSR/AS 35
CONCLUSIONES 49 APÉNDICE 52
APÉNDICE A PAGINAS 9 Y 10 DE LA ESPECIFICACIÓN PARA DISEÑO
DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE CFE 53
APÉNDICE B PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN 55
APÉNDICE C TORRES DE TRANSMISIÓN VARIAS 75
REFERENCIAS 77
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
1
INTRODUCCIÓN.
Las Líneas de Transmisión constituyen una parte importante de la llamada "Red Eléctrica" de un
sistema, ya que en sus distintos niveles de tensión, transmiten y distribuyen la energía eléctrica,
pero también interconectan distintas partes del sistema.
Las Líneas de Transmisión sirven para el transporte y la distribución de la energía eléctrica, se
realiza a través de Líneas Aéreas y el diseño de la misma depende de varios factores, como son el
nivel de tensión, la potencia a transmitir y la longitud de la LT, condiciones geográficas de la zona,
el costo de transmisión, la confiabilidad, etc.
Las líneas aéreas están constituidas por conductores en aire apoyados en estructuras (torres) Y
sujetadas por medio de aisladores. El aislamiento entre conductores lo proporciona el aire, Y el
aislamiento entre los conductores y la tierra, se obtiene por medio de las cadenas de aisladores.
La generación de energía se realiza en plantas hidroeléctricas, termoeléctricas, nucleares Y de
gas, normalmente en tensiones de 24 kV y/o 14 kV. La energía proveniente de una planta se lleva a
un transformador elevador conectado al sistema de transmisión a través del cual se transmite la
energía eléctrica, generalmente a tensiones de 115, 138, 230 y 400 kV. El sistema de transmisión
termina en una subestación reductora o subestación de potencia, donde la tensión de servicio es de
115 kV. y de la cual se distribuyen circuitos de subtransmisión que van a alimentar subestaciones de
distribución cuyos circuitos alimentadores normalmente trabajan a 34,5.kV, 23 kV y 13.2 kV. El
sistema de distribución está asociado con la utilización de la energía, se considera que las grandes
plantas Industriales son casos especiales del subsistema de potencia ya que pueden estar
directamente conectadas a tensiones de 230 kV., y 115 kV. De los transformadores de distribución
se alimentan usuarios comerciales, residenciales e industrias pequeñas.
La obtención de las constantes eléctricas, así como el Parámetro a utilizar en la Línea de
Transmisión, se consideran fundamentales para el adecuado diseño y buen funcionamiento de las
Líneas de Transmisión.
Toda línea de Transmisión debe estar diseñada de acuerdo a lo contenido en la
“ESPECIFICACION PARA DISEÑO DE LINEAS DE TRANSMISION AEREAS” (CPTT-DDLT-001/02)
FEBRERO 2007.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
2
I.1 DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA.
Un sistema eléctrico de potencia (SEP), es el conjunto de plantas generadoras, líneas de
transmisión, subestaciones transformadoras y redes de distribución de la energía a los centros de
consumo y usuarios en general. El objetivo básico de un SEP es el suministrar la energía eléctrica al
usuario final.
Figura 1.1 Esquema de un sistema eléctrico de potencia:(1) Plantas generadoras; (2) Subestaciones elevadoras
de transmisión; (3) Líneas de transmisión; (4) Subestación receptora de transmisión; (5) Subestaciones de
distribución; (6) Redes de distribución; (7) Usuarios.
I.2 NIVELES DE TENSIÓN.
Las pérdidas más importantes en el Sistema Eléctrico de Potencia en el transporte de la
electricidad, son proporcionales al cuadrado de la corriente por la resistencia del conductor, o
mejor conocido como pérdidas por efecto Joule. De modo que en la medida que la tensión aumenta
la corriente disminuye, y entonces las pérdidas hacen lo mismo, por lo tanto, la tensión más alta,
prácticamente es la más grande para la generación, transmisión y distribución de la energía
eléctrica.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
3
Los límites de tensión para transmisión están ajustados por los dispositivos de protección
(principalmente los interruptores), como los transformadores y aisladores.
Algunos valores de tensión usados por las distintas empresas eléctricas en México, son las que
se indican a continuación:
Tabla 1.1 Niveles de tensión utilizados en México.
I.3 LOS SISTEMAS DE TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN.
La línea de transmisión es el elemento más común de los que conforman las redes eléctricas. En
conjunto, estos elementos constituyen las arterias a través de las cuales fluye la energía
eléctrica desde centros de generación hasta centros de consumo.
Dependiendo del nivel de tensión al cual se realiza la transmisión de energía eléctrica, se tiene
clasificadas a las redes en tres categorías: transmisión, subtransmisión y distribución.
En México, los niveles de tensión desde 115 kV o mayores son considerados como de
transmisión. Cuando se opera con tensiones de 66 kV hasta 115 kV, se dice que la red es de
subtransmisión. Por último, niveles de tensión menores a 34,5 kV están relacionados con redes
de distribución.
GENERADORES 11 kV, 24 kV
TRANSMISIÓN EN EXTRA ALTA TENSION 400 kV
TRANSMISIÓN 115 kV, 138 kV, 230 kV
SUBTRANSMISION 34,5 kV, 69 kV, 85 kV
DISTRIBUCIÓN 6 kV, 12,5 kV, 13,8 kV, 23 kV, 34,5 kV
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
4
El Sistema de Transmisión y Distribución mueve la energía desde las plantas generadoras,
generalmente distantes de los usuarios de la energía eléctrica. En algunos casos, el costo se
puede disminuir y la confiabilidad incrementar a través del uso de generación distribuida y
pequeños generadores colocados en puntos estratégicamente seleccionados dentro del sistema
de potencia cercanos a los usuarios, éstas y otras fuentes distribuidoras incluyendo sistemas de
almacenamiento y manejos del lado de la demanda, algunas veces proporcionan grandes
beneficios.
Desde el punto de vista de los sistemas eléctricos, frecuentemente no se le da a la transmisión
y distribución de la energía eléctrica tanta importancia como la generación y a la utilización; y
en consecuencia, existe una tendencia a despreciar este tema tan importante, aún cuando en la
práctica existe una gran cantidad de personas relacionadas con el proyecto, construcción,
operación, mantenimiento y análisis de las mismas.
Las líneas de transmisión entregan o transportan la energía desde las centrales eléctricas a las
subestaciones y a las grandes plantas o instalaciones industriales, y finalmente a las redes de
distribución; también interconectan centrales eléctricas para permitir el intercambio de
potencia, cuando alguna de éstas se encuentre fuera de servicio, ya sea por falla o por
mantenimiento.
Para la construcción de líneas de transmisión se deben cumplir con ciertos requisitos, como son
distancias de seguridad y el derecho de vía, que son aplicables en cualquier lugar que se
construya una, y a partir de una tensión de 69 kV.
El derecho de vía, zona de seguridad en las líneas de transmisión de alta y extra alta tensión, es
una franja de terreno que se debe dejar a lo largo de la línea, para de ésta manera garantizar
que no se presenten accidentes con personas o animales por contactos directos o indirectos [1].
[1]NFR-014-CFE-2004, Derecho de vía para el diseño, operación, construcción y mantenimiento de líneas de transmisión.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
5
TENSIÓN NOMINAL ENTRE
FASES (V)
DISTANCIA HORIZONTAL MÍNIMA (m)
13,800 1,35
23,000 1,40
34,500 1,45
69,000 1,80
85,000 2,00
115,000 2,30
138,000 2,40
150,000 2,40
161,000 2,90
230,000 3,20
400,000 4,00
Tabla 2.1 Separación horizontal mínima de conductores a edificios, construcciones y cualquier otro obstáculo.
Un sistema de transmisión y distribución deben cumplir con ciertos requerimientos básicos,
como son:
• Suministrar en forma ininterrumpida la potencia que los usuarios demandan.
• Mantener la tensión nominal en forma estable, sin que exceda su variación dentro del cierto
rango fijado por la empresa suministradora, de acuerdo al índice de calidad deseable, que
puede estar alrededor de ±10 % con respecto al valor nominal.
• Mantener la frecuencia estable, de manera que siempre se encuentre dentro del rango de
variación establecido, que puede ser por ejemplo ± 0,1 Hz.
• Suministrar la energía eléctrica a un precio aceptable, es decir, se debe cumplir con un
requisito de economía, en la transmisión y distribución.
• Respetar las normas de seguridad, establecidas en cuanto a distancias en aire, distancias entre
conductores con respecto al suelo y con respecto a construcciones en zonas urbanas;
cruzamientos con ríos, carreteras, vías de ferrocarril.
• Cumplir con los requerimientos de estética y de protección del medio ambiente.
• En general cumplir con lo indicado en la “ESPECIFICACION PARA DISEÑO DE LINEAS DE TRANSMISION AEREAS” (CPTT-DDLT-001/02)2007
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
7
II.1 ESTRUCTURAS.
Las torres o estructuras, constituyen el soporte mecánico de las líneas de transmisión y
económicamente, representan la mayor inversión. En México se construyen principalmente de
acero o cemento armado, para transmisión y subtransmisión y de acuerdo a la especificación:
CFE J1000-50 “TORRES PARA LINEAS DE TRANSMISION Y SUBTRANSMISION”.
II.1.1 TORRES AUTOSOPORTADAS DE CELOSIA (Estructurales).
En México, las torres Autosoportadas constituyen la mayoría de las estructuras usadas en líneas
de transmisión en alta tensión. Mecánicamente, no requieren de apoyos adicionales para
trabajar, como elementos sujetos a esfuerzos de tensión y compresión debidos a cargas de
conductores, aisladores y elementos externos como: presión del viento, carga por hielo, además
del tensionado normal para el montaje.
Figura 2.1 Esquema de una torre para transmisión de energía eléctrica en 115 kV tipo Celosía para uso en deflexión o
remate.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
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Figura 2.2 Árbol y Diagrama de cargas para torre de remate mostrada en la figura 2.1.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
9
Las dimensiones de estas torres son variables y dependen de varios factores como:
• Tipo de terreno: plano, ondulado, montañoso.
• Distancia interpostal: es decir, distancia media entre dos torres adyacentes, también conocida
como claro horizontal.
• Función de la torre: lo determina el tipo que puede ser:
Tipo suspensión
Tipo deflexión
Tipo remate
De transposición.
La gran mayoría de las líneas de transmisión usadas en México son de tipo autosoportadas de
celosía, de las llamadas tipo suspensión.
Las torres de deflexión se aplican para zonas donde la trayectoria de la línea hace un cambio de
dirección, y las hay para distintos grados de deflexión (cambio de dirección).
Las torres de remate se usan en las llegadas o salidas de las subestaciones eléctricas, así como
también en cruzamientos con ríos, autopistas y zonas, donde se requiere obtener una mayor
seguridad para la línea y mayor altura para los conductores.
Las 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, su uso depende mayormente de
la longitud de la Línea de Transmisión.
II.1.2 TORRES AUTOSOPORTADAS TIPO TUBULAR.
Éstas torres también son autosoportadas, en el mismo concepto de las tipo celosía; la
diferencia está en que se construyen con tubo de acero, lo que hace que sean mas compactas, pero
también su costo es superior a igualdad de condiciones de operación, también se diseñan para
trabajar en suspensión y/o tensión.
Debido a su alto costo, su uso esta restringido a zonas donde se tienen problemas de
disponibilidad de terreno para construir la línea; es decir, se aplican preferentemente en zonas
urbanas con diseños compactos, donde se pueden usar también aislamientos sintéticos, o sea,
aislamientos no convencionales a base de discos de vidrio o porcelana.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
10
II.1.3 TORRES CON 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.
Figura 2.3 Esquema de una torre tipo retenida.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
11
II.2 DEFINICIÓN DE CAPABILIDAD DE LAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN.
La capabilidad de las líneas de transmisión no se considera como un parámetro fijo, ya que para
un mismo nivel de tensión nominal por ejemplo, se deben considerar las características particulares
de cada línea y son las que establecen diferencias entre una y otra, específicamente cambian las
características entre puntos terminales de la misma en cuanto a capacidad de circuito-corto se
refiere, dependiendo de la parte del sistema en que se encuentre.
Para determinar la capabilidad de la línea de transmisión se deben tomar en consideración
principalmente los siguientes factores:
II.2.1 LÍMITE TÉRMICO.
Los conductores eléctricos tienen un límite térmico asociado a la corriente máxima permisible o
bien a la máxima potencia en MVA que pueda transmitir. Tiene como objetivo evitar daños
permanentes al conductor que pueden llegar hasta la fusión del mismo, el daño permanente en los
conductores depende del valor que se exceda la corriente máxima permisible y del tiempo que éste
ocurre, ya que el problema se manifiesta finalmente en forma de calor debido a las perdidas I2R
que tienen efecto a corto y largo plazo, por lo que el llamado límite térmico constituye en realidad
una limitante física por las características del conductor.
II.2.2 CAÍDA DE TENSIÓN.
En forma independiente de la corriente (carga) que este conectada a una línea de transmisión,
se debe conservar su operación dentro de los límites establecidos, por lo que el criterio de caída de
tensión se establece para los extremos de la línea y se relaciona directamente con su capacidad de
suministro de potencia reactiva, para ello se hacen estudios propios de una línea en forma
individual o como parte integrante del sistema, se usa el llamado circuito pi (π) nominal de la línea
de transmisión, para los fines de la capabilidad de la línea se fija como valor máximo de la caída de
tensión un 7,5% aún cuando se acostumbra trabajar alrededor del 5,0%[2]. Entre mayor sea el
margen permisible de la caída de tensión, el sistema se opera en condiciones menos seguras desde
el punto de vista de la confiabilidad.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
12
II.2.3 LÍMITE DE ESTABILIDAD EN ESTADO PERMANENTE.
La estabilidad del sistema se refiere a la condición de operación del mismo en sincronismo, ya
sea en estado estable o permanente, en estado transitorio o dinámico, que se define como el
margen mínimo permisible previo al límite de transmisión de potencia activa, éste margen de
estabilidad se relaciona con la potencia transmitida por la línea de transmisión.
II.3 REPRESENTACIÓN DE LAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN.
Para el cálculo de líneas en estado permanente, se puede usar el método clásico o el método
matricial, en ambos casos se representa la línea por medio de sus parámetros en forma concentrada
(R, L C), cuando en la realidad son distribuidos.
Para el análisis en estado transitorio, se representa la línea con parámetros distribuidos; ya sea
dependiendo del tiempo o de la frecuencia. En este caso, se usa para su análisis el modelo
matricial, solo se considera el estado permanente de las líneas, que corresponde a las condiciones
normales de operación, es decir, sus variaciones de carga, factor de potencia, pero dentro de sus
límites permisibles de operación.
El método clásico, parte de las siguientes condiciones:
a) La construcción de la línea es homogénea, es decir, que tiene las mismas características
constructivas en cualquier parte.
b) La línea trifásica opera siempre balanceada, por lo que la representación trifilar se puede
reducir a una representación unifilar.
c) Como el efecto capacitivo en las líneas de transmisión es función de la tensión de operación
de la línea y de su longitud(potencia reactiva transmitida) entonces se pueden dividir en
tres partes para su estudio, atendiendo a los factores de tensión y longitud son las
siguientes: Línea Corta, Línea Media y Línea Larga
• Línea Corta
• Línea Media
• Línea Larga
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
13
II .4 TIPOS DE CONDUCTORES PARA FASE UTILIZADOS EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN.
En México, se usan normalmente para transmisión, conductores de ACSR [3] que están
compuestos de un alma de acero, tiene funciones mecánicas principalmente, y externamente una o
más capas de hilos de aluminio. Los calibres de los conductores se seleccionan por capacidad de
conducción de corriente, limitados por las pérdidas y caída de tensión. Los calibres de conductores,
usados en las líneas de transmisión en México se muestran en la siguiente tabla 2.2:
Tabla 2.2 Calibre de conductores usados normalmente en líneas de transmisión en México.
[3] ACSR, Conductor de Aluminio Reforzado con Acero, consiste en un núcleo central de alambres de acero, rodeado por capas de
alambre de aluminio.
Los principales elementos que se toman en consideración para la selección de un determinado tipo
de conductor son los siguientes:
• Capacidad de conducción de corriente del conductor, a la temperatura de operación
considerada, incluyendo el efecto de la temperatura del medio ambiente.
400 kV 2 x 1113 kCM; 3 x 1113 kCM
230 kV
1 x 900 kCM
1 x 795 kCM
1 x 1113 kCM
115 kV 1 x 477 kCM
1 x 795 kCM
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
14
• Máxima caída de tensión permisible, fijada por la regulación que depende de las condiciones de
calidad de servicio.
• Nivel máximo permisible de ruido, en cuanto a interferencia electromagnética.
• Características mecánicas como:
Resistencia a la ruptura.
Módulos de elasticidad inicial y final.
Coeficientes de dilatación líneas, inicial y final.
Peso aproximado.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
15
Figura 2.4 Representación de las secciones transversales de diferentes tipos de conductores ACSR para líneas
de transmisión y distribución.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
16
En las siguientes tablas se describen algunas características del conductor tipo ACSR para líneas
de transmisión usados en México:
Tabla 2.3. Características generales de conductores de 1113 kCM ACSR/AS (ESPECIFICACION CFE E0000-18)
CARACTERÍSTICAS DEL CABLE UNIDADES VALORES
Designación comercial. BLUE JAY
Descripción corta. Cable ASCR 1113,0
Calibre kCM. kCM 1113,0
Área de la sección total. mm2 603,0
Área de la sección de aluminio. mm2 562,7
Número de alambres de acero. Alambres 7,0
Número de alambres de aluminio. Alambres 45,0
Diámetro de cada hilo de acero. mm 4,0
Diámetro de cada hilo de aluminio. mm 2,6
Diámetro externo total. mm 31,98
Resistencia a la ruptura. kN (kg) 137,72 (14039)
Peso aproximado. kg/m 1,875
Módulo de elasticidad inicial. kg/cm2 548,34E+3
Módulo de elasticidad final kg/cm2 620,43E+3
Coeficiente de dilatación lineal inicial. 10-6/ º C 20,53
Coeficiente de dilatación lineal final. 10-6/º C 20,80
Corriente a 60 Hz. Amperes 1110,0
Resistencia eléctrica a 25º y a 60 Hz. Ohms/km 0,0524
Radio medio geométrico a 60 Hz. mm 12,65
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
17
Tabla 2.4 Características generales del conductor 900 kCM ACSR/AS (ESPECIFICACION CFE E0000-18)
CARACTERISTICAS DEL CABLE UNIDADES VALORES
Designación comercial. CANARY
Descripción corta. Cable ASCR 900,0
Calibre kCM. kCM 900,0
Área de la sección total. mm2 515,2
Área de la sección de aluminio. mm2 456,1
Número de alambres de acero. Alambres 7,0
Número de alambres de aluminio. Alambres 54,0
Diámetro de cada hilo de acero. mm 3,28
Diámetro de cada hilo de aluminio. mm 3,28
Diámetro externo total. mm 29,51
Resistencia a la ruptura. kN (kg) 143,72 (14650)
Peso aproximado. kg/m 1,723
Módulo de elasticidad inicial. kg/cm2 520,22E+3
Módulo de elasticidad final kg/cm2 667,85E+3
Coeficiente de dilatación lineal inicial. 10-6/ º C 18,28
Coeficiente de dilatación lineal final. 10-6/º C 19,26
Corriente a 60 Hz. Amperes 970,0
Resistencia eléctrica a 25º y a 60 Hz. Ohms/km 0,06339
Radio medio geométrico a 60 Hz. mm 11,94
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
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Tabla 2.5 Características generales del conductor 795 kCM ACSR/AS (ESPECIFICACION CFE E0000-18)
CARACTERÍSTICAS DEL CABLE UNIDADES VALORES
Designación comercial. DRAKE
Descripción corta. Cable ASCR 795,0
Calibre kCM. kCM 795,0
Área de la sección total. mm2 468,5
Área de la sección de aluminio. mm2 402,6
Número de alambres de acero. Alambres 7,0
Número de alambres de aluminio. Alambres 26,0
Diámetro de cada hilo de acero. mm 4,44
Diámetro de cada hilo de aluminio. mm 3,45
Diámetro externo total. mm 28,14
Resistencia a la ruptura. kN (kg) 139,06
(141165)
Peso aproximado. kg/m 1,624
Módulo de elasticidad inicial. kg/cm2 534,98E+3
Módulo de elasticidad final kg/cm2 715,65E+3
Coeficiente de dilatación lineal inicial. 10-6/ º C 17,40
Coeficiente de dilatación lineal final. 10-6/º C 18,82
Corriente a 60 Hz. Amperes 900,0
Resistencia eléctrica a 25º y a 60 Hz. Ohms/km 0,0705
Radio medio geométrico a 60 Hz. mm 11,37
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
19
CARACTERÍSTICAS DEL CABLE UNIDADES VALORES
Designación comercial. HAWK
Descripción corta. Cable ASCR 477,0
Calibre kCM. kCM 477,0
Área de la sección total. mm2 281,1
Área de la sección de aluminio. mm2 241,6
Número de alambres de acero. Alambres 7,0
Número de alambres de aluminio. Alambres 26,0
Diámetro de cada hilo de acero. mm 3,44
Diámetro de cada hilo de aluminio. mm 2,68
Diámetro externo total. mm 21,8
Resistencia a la ruptura. kN (Kg) 86,52
(8820)
Peso aproximado. kg/m 0,975
Módulo de elasticidad inicial. kg/cm2 585,6E+3
Módulo de elasticidad final kg/cm2 764,86E+3
Coeficiente de dilatación lineal inicial. 10-6/ º C 17,53
Coeficiente de dilatación lineal final. 10-6/º C 18,0
Corriente a 60 Hz. Amperes 670,0
Resistencia eléctrica a 25º y a 60 Hz. Ohms/km 0,163
Radio medio geométrico a 60 Hz. mm 8,805
Tabla 2.6 Características generales del conductor 477 kCM ACSR/AS (ESPECIFICACION CFE E0000-18)
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
20
II.4.1 CABLES DE GUARDA.
Los cables de guarda (ver figura 2.5) son utilizados en líneas aéreas, subestaciones eléctricas de
distribución y transmisión con la finalidad de proteger los equipos y/o conductores de fase contra
descargas atmosféricas (rayos). Cabe mencionar también que en los últimos tiempos, el cable de
guarda ya no solo sirve como protección del sistema contra las descargas atmosféricas, sino que
también es un medio muy importante para comunicación y control del sistema eléctrico, ya que se
han incorporado en el mercado cables de guarda con fibra óptica integrada (CGFO), los cuales al
contener fibra óptica sirven como enlaces para comunicación y control, dentro del sistema
eléctrico.
II .4.2 CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS CABLES DE GUARDA.
Número de hilos y paso de trenzado. Deben ser de 7 hilos con trenzado izquierdo con un paso
no menor de 10, ni mayor de 16 veces del diámetro nominal del alambre [1]. Los alambres que
forman el cable de guarda deben ser de acero de extra alta resistencia.
No se aceptan uniones de ninguna clase en los tramos del cable, se permite uniones soldadas
eléctricamente a tope, hechas antes de iniciar el enfriado del cable.
Los alambres deben estar galvanizados de tal forma que como mínimo la capa de zinc tenga una
masa de 0,396kg/cm2 (superficie del alambre sin recubrir).
Figura 2.5 Representación del cable de guarda.
[1] Con base a la Especificación. CFE-EOOOO-22, Cables de guarda.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
21
II .4.3 CARACTERÍSTICAS DE LOS CABLES DE GUARDA CON FIBRA OPTICA (CGFO).
Cada compañía eléctrica establece especificaciones de acuerdo a sus necesidades, privilegiando la
resistencia mecánica, la conductividad eléctrica o las dimensiones. En México la Comisión Federal
de Electricidad tiene una especificación muy severa, el cable debe tener como mínimo 36 fibras
ópticas y una gran resistencia a la tensión mecánica, arcos eléctricos, alta conductividad en corto
circuito y un requisito poco común de prueba contra corrosión salina.
Probablemente la razón para una especificación tan estricta es que en los planes de CFE el
cable de guarda óptico no es sólo una solución para comunicaciones propias y enlaces locales para
control y protección de las líneas, sino un aspecto adicional que permite transmitir una cantidad
muy alta de información, como un nuevo giro de negocio para la empresa.
Para este cable la CFE solicita que se apegue a lo indicado en la Especificación CFE E0000-21, “Cable de Guarda con Fibras Ópticas”.
Figura 2.6 Cable de Guarda Con Fibras Ópticas.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
22
En la tabla 2.7 se describen las propiedades eléctricas del cable de guarda proporcionada por el
fabricante Alumoweld.
RESISTENCIA DEL
CONDUCTOR, OHMS/KILOMETRO
REACTANCIA DEL CONDUCTOR A UN METRO DE ESPACIAMIENTO,
OHMS/KILOMETRO
DESIGNACIÓN Ra a 25oC (77oF)
Corrientes pequeñas
60 Hz
Ra a 75oC (167oF)
Ampacidad
Aprox. al 75%
60 Hz
Xa Inductiva
Ohms 60 Hz
X'a Capacitiva
Megohms 60 Hz
Radio Medio Geométrico a
60 Hz
m
Ampacidad a 60Hz.
19 No. 8 Awg
19 No. 9 Awg
7 No. 5 Awg
7 No. 6 Awg
7 No. 7 Awg
7 No. 8 Awg
7 No. 9 Awg
7 No. 10 Awg
3 No. 5 Awg
3 No. 6 Awg
0,5617
0,7085
0,7706
0,9546
1,2038
1,5164
1,9142
2,4114
1,7277
2,1814
0,7955
0,9658
1,0372
1,2492
1,5351
1,9018
2,3627
2,9397
2,2125
2,7408
0,4269
0,4356
0,4394
0,4481
0,4568
0,4655
0,4742
0,4829
0,4394
0,4481
0,0667
0,0689
0,0697
0,0719
0,0740
0,0761
0,0783
0,0804
0,0758
0,0779
0,001060
0,000944
0,000901
0,000802
0,000714
0,000635
0,000566
0,000505
0,000896
0,000798
335,0
295,0
280,0
250,0
220,0
190,0
160,0
140,0
170,0
150,0
Tabla 2.7 Características eléctricas de los cables de guarda proporcionado por el fabricante Alumoweld.
C A P Í T U L O III CÁLCULO DE LA TENSION MECANICA DEL CABLE CONDUCTOR Y
CABLE DE GUARDA EN LINEAS DE TRANSMISION
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
24
III.1 CÁLCULO DEL PARAMETRO A PARTIR DE LA ECUACION DE CAMBIO DE ESTADO.
Este capítulo tiene como objetivo mostrar un método confiable y probado para el Cálculo de la
Tensión Mecánica de los Conductores en una línea de transmisión, lo cual también interviene en
conjunto con los demás componentes eléctricos, en el buen diseño y funcionamiento de una línea de
transmisión.
El método empleado para la obtención del Cálculo de la Tensión Mecánica de los Conductores
en este trabajo parte a través de la ecuación conocida como “LA ECUACION DE CAMBIO DE ESTADO”
El conductor de una línea de transmisión se comporta mecánicamente, hablando como un
elemento sometido a tensión y sostenido en sus dos extremos. Si suponemos que el peso del conductor
es uniforme a lo largo de toda su longitud, este formara una catenaria como se muestra en fig. 3.1
H
Figura. 3.1
Donde:
a: Es el Claro entre Estructuras
f: Es la Flecha
B: Es el Libramiento Mínimo
H: Es la Altura del punto de anclaje mas bajo del conductor
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
25
Un conductor de peso uniforme, sujeto entre dos apoyos por los puntos A y B situados a la
misma altura, forma una curva llamada catenaria. La distancia f entre el punto más bajo situado en el
centro de la curva y la recta AB, que une los apoyos, recibe el nombre de flecha. Se llama claro a la
distancia “a” entre los puntos de amarre A y B.
Para claros de hasta unos 500 metros podemos equiparar la forma de la catenaria a la de una
parábola como se muestra en la figura 3.2:
Figura 3.2
Antes de construir una línea de transmisión, debe calcularse la flecha tolerable y la correspondiente tensión mecánica. Además de otras condiciones, debe de tenerse en cuenta la temperatura durante el tendido:
Si la línea se tiende en invierno, debe recordarse que en verano se alarga el conductor y la flecha puede tornarse inadmisible (acercamiento al suelo en detrimento de la seguridad)
Si se tiende en verano, la flecha no debe ser demasiado reducida porque al contraerse la línea en invierno, el esfuerzo de tracción aumentaría peligrosamente.
Otros elementos a tener en cuenta son el viento y la nieve, que añaden carga a la línea y pueden entonces llegar a provocar la sobretensión en la estructura que sostiene al conductor debido al sobrepeso ganado por el viento y la nieve (Acumulación de hielo sobre el conductor)
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
26
Para efectuar el cálculo mecánico de un conductor es fundamental conocer cuáles son las fuerzas que
actúan sobre el mismo. Además del peso propio, hay que considerar las siguientes fuerzas, según las
diferentes condiciones que se ven a continuación:
III.1.1 ACCION DEL VIENTO
PT= Peso Total del Cable.
P = Peso del Cable.
PV= Peso del Viento.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
27
III.1.2 ACCION DEL HIELO
PT= Peso Total del Cable.
P = Peso del Cable.
PH= Peso del Hielo.
III.1.3 ACCION DE LA TEMPERATURA
Debido a los cambios de temperatura, el conductor se dilata o se contrae. Esto origina
variaciones en la tensión y en la flecha que ha de tenerse en cuenta.
Figura 3.3
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
28
Dentro de los conceptos a considerar para un tramo de una línea de transmisión indicados
anteriormente. En orden de importancia el primero de estos es el libramiento que se fija
generalmente en las normas existentes. Los conceptos restantes: claro, flecha y altura, se determinan
por consideraciones económicas sobre el calibre y material óptimos del conductor, por las condiciones
máximas de carga y por las estructuras.
III. 2 ECUACION DE CAMBIO DE ESTADO.
Para determinar las tensiones mecánicas iniciales y finales en una línea de transmisión se hace
uso de la “ECUACION DE CAMBIO DE ESTADO” la cual es una ecuación de Tercer Grado.
Esta ecuación establece que a partir de ciertas condiciones dadas, es posible obtener el
comportamiento de las Tensiones Mecánicas en el Cable Conductor y cable de Guarda de la línea de
transmisión, para condiciones climatológicas diferentes.
La forma de la Ecuación de Tercer Grado para este Cálculo es la siguiente:
X³ - Px² - Q = 0………………….Ec. 3.1
III. 3 EJEMPLO PRACTICO DEL CÁLCULO DE LA TENSIÓN MECÁNICA Y PARAMETRO DEL CONDUCTOR A
PARTIR DE LA ECUACION DE CAMBIO DE ESTADO.
OBJETO
El Cálculo tiene por objeto determinar el Cálculo de la Tensión Mecánica de los Conductores de las
catenarias del cable conductor y de los cables de guarda, tanto para Torres como para Postes
troncocónicos, lo anterior empleando una Hoja de Cálculo de Excel.
ALCANCE
El presente cálculo cubre únicamente el Cálculo de la Tensión Mecánica de los Conductores a utilizar
en este ejemplo para una línea de transmisión, ya que cada LT cambia dependiendo su ubicación
Geográfica.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
29
III. 3.1 DATOS BASICOS DEL PROYECTO
LT. 230 KV, 10.1 KM, 1 C/F ,1113 ACSR/AS, CGFO/7#8 AAS, TA
LIMITACIONES MECANICAS DE LOS CABLES
Tensión mecánica máxima en cables en condición EDS (Carga Diaria): 22.00 %
Tensión mecánica máxima en cables en tensión máxima: 33.00 %
Tensión longitudinal máxima en cruceta cable conductor Torre Tipo E92W21CA 46581.00 N
Tensión longitudinal máxima en cruceta cable de guarda Torre Tipo E92W21CA 15691.00 N
CONDICIONES AMBIENTALES DE LA LT.
Temperatura control................................................................................. 50 º C
Temperatura media.................................................................................. 27.6 º C
Temperatura mìnima................................................................................ 22.6 º C
Temperatura con viento màximo.................................................................. 18 º C
CARACTERISTICAS DEL CABLE CONDUCTOR.
Calibre, material y nombre 1113 KCM, ACSR/AS, "DRAKE" 45 Hilos de AL + 7 Hilos de acero recubiertos de aluminio soldado Diámetro 31.98 mm Área 564.00 mm2 Peso unitario 17.87 N/m Tensión de ruptura 130374.90 N Módulo de elasticidad inicial 53788.23 N/mm2 Módulo de elasticidad final 64618.47 N/mm2 Coeficiente de dilatación lineal inicial 2.05E-05 1/ ºC Coeficiente de dilatación lineal final 2.08E-05 1/ ºC
Tabla 3.1
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
30
CARACTERISTICAS DEL CABLE DE GUARDA CON FIBRAS ÓPTICAS INTEGRADAS.
Calibre, material y nombre Cable de guarda Cable de Guarda con Fibras Ópticas (CGFO)
Diámetro 13.60 mm Área 79.00 mm2 Peso unitario 4.44 N/m Tensión de ruptura 70000.00 N Módulo de elasticidad inicial 121100.00 N/mm2 Módulo de elasticidad final 121100.00 N/mm2 Coeficiente de dilatación lineal inicial 1.68E-05 1/ ºC Coeficiente de dilatación lineal final 1.68E-05 1/ ºC
Tabla 3.2
CARACTERISTICAS DEL CABLE DE GUARDA 7#8 AAS.
Calibre, material y nombre Cable de guarda 7#8 AAS Diámetro 9.78 mm Área 58.56 mm2 Peso unitario 3.83 N/m Tensión de ruptura 70887.06 N Módulo de elasticidad inicial 148621.50 N/mm2 Módulo de elasticidad final 158617.89 N/mm2 Coeficiente de dilatación lineal inicial 1.30E-05 1/ ºC Coeficiente de dilatación lineal final 2.08E-05 1/ ºC
Tabla 3.3
NOTA: LOS DATOS AQUÍ MOSTRADOS CORRESPONDEN A LOS SIGUIENTES FABRICANTES:
CONELEC : CABLE 1113 ACSR/AS
PRYSMIAN : CABLE CGFO
ALUMOWELD : CABLE DE GUARDA 7#8 AAS
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
31
Figura 3.4 TORRE E92W21CA (TORRE PARA USO EN REMATE Y DEFLEXION)
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
32
Figura 3.5 TORRE E92A21CA (USO EN SUSPENSION)
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
33
Tabla 3.3 Entrada de Datos del Cable y Datos de la Estructura
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
34
III. 3.2 DETERMINACION DE LA FLECHA DE LA CATENARIA POR LIBRAMIENTO EN TERRENO PLANO
Para un terreno plano y con las torres, se obtiene una flecha la cual contempla el libramiento mínimo
Requerido a terreno. La flecha de la catenaria se calcula mediante la siguiente expresión.
f = h – Is......................................................................... ................ ................ (3.2) Donde: f = Flecha disponible (m)
h = Distancia vertical del punto de sujeción del conductor más bajo.
Is = Libramiento mínimo (m)
Para el presente proyecto, se manejarán los siguientes datos:
h = 21.80 m, Is = 8.50 m, f = 13.30 m ls libramiento mínimo para aéreas de acceso a peatones
III. 3.3 DETERMINACION DEL CLARO MAXIMO POR LIBRAMIENTO EN TERRENO PLANO
La determinación del claro máximo admisible sobre terreno plano de la estructura de suspensión más
predominante de la Línea de Transmisión, se logra mediante la siguiente expresión:
S = 8Pf........................................................................................................ (3.3) S = Claro máximo admisible (m)
P = Parámetro del cable a 50 ºC (m)
f = flecha disponible (m) en terreno plano
Para el presente proyecto, se proponen los siguientes datos:
P = 1400.00m
f = 13.30m
S = 385.95 m claro máximo (*)
* Este claro es únicamente para terreno plano; sin embargo, podrá elevarse según lo permita el terreno y el uso de las
estructuras.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
35
III.3.4 CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO PARA EL CABLE CONDUCTOR 1113 ACSR/AS
La obtención de la tensión mecánica o parámetro del cable conductor a las diferentes condiciones
climáticas, se realiza mediante el cálculo de flechas y tensiones el cual se obtiene aplicando la
ecuación de cambio de estado como a continuación se ilustra:
.................................................... (3.4)
Cuyos componentes son los siguientes:
.................................................... (3.5)
.................................................... (3.6)
.................................................... (3.7)
.................................................... (3.8)
.................................................... (3.9)
.................................................... (3.10)
.................................................... (3.11)
.................................................... (3.12)
.................................................... (3.13)
( ) NMTT =+22
2
( )121
2
1
1 ttBTT
SZAM −+−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
( )22SZAN =
24
2E
Aγ
=
AHT 1
1 =
EaB ,=
AWC=γ
( )[ ]C
VC
WWWhWZ
21
22
2++
=
CWHP =
DPvWv ⋅=
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
36
A continuación se indica la terminología empleada en las ecuaciones anteriores.
H1: Tensión en condiciones iníciales (N).
t1: Temperatura de control a la cual se considera H1.
Z1: Sobrecarga en el cable en condiciones iníciales sin hielo y sin viento.
T1: Componente horizontal del esfuerzo en condiciones iníciales (N/mm2).
H2: Tensión buscada (N).
Z2: Sobrecarga en el cable en condiciones finales.
t2: Temperatura correspondiente a H2.
T2: Componente horizontal del esfuerzo en condiciones finales (N/mm2).
S: Claro base considerado (m).
A: Sección del cable (mm2).
A’: Coeficiente de dilatación lineal del cable (1/°C).
D: Diámetro del cable (mm).
γ: Peso unitario del cable dividido entre el área (N/m-mm2).
E: Módulo de elasticidad final del cable (N/mm2).
Wc: Peso unitario del cable (N/m).
Wh: Peso del hielo depositado sobre el cable (N/m).
Wv: Fuerza debida a la presión del viento sobre el conductor.
f: flecha del cable en función de H2 (m).
A,B, M y N: Parámetros para el cálculo de T2 (Constantes para Cálculos de la Tensión Mecánica en los
Cables Conductor y Guarda).
Pv: Presión de viento (N/m2).
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
37
CONDICIONES DE CONTROL (Condiciones Propuestas)
Temperatura de control.............................................................. 50 ºC
Parámetro propuesto a 50 ºC........................................................1400 m
Claro base.............................................................................. 400 m
Flecha a 50 ºC (para claro base).....................................................14.29 m
CALCULO DE CONSTANTES, ESFUERZO Y COEFICIENTE DE SOBRECARGA EN CONDICIONES DE CONTROL
Del parámetro supuesto, se obtendrá el valor de la tensión mecánica en condiciones de control
mediante la expresión 3.12 antes indicada
Sustituyendo valores y despejando H1, se obtiene H = 25018.00 N
Por lo tanto, utilizando la ecuación 3.8, el esfuerzo del cable T1 será como sigue.
25018 = 44.36 N/mm2 564.00
Sustituyendo los valores en las expresiones (3.7, 3.9, 3.10 y 3.11), se obtiene.
(3.17E-02)2 (64618.47) = 2.70 24
2.08E-05 * 64618.47 = 1.34
17.87 = 0.031684 564.00
= 1.00 (50 ºC sin viento, sin hielo)
CWHP =
AHT 1
1 =
24
2E
Aγ
=
EaB ,=
AWC=γ
( )[ ]C
VC
WWWhWZ
21
22
2++
=
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
38
CAMBIO DE ESTADO A TEMPERATURA MAXIMA SIN VIENTO, SIN HIELO
Temperatura final................................................................. 50.00 ºC
Sustituyendo valores en la expresión 3.5 y efectuando operaciones, se obtiene:
2.7029 2 -44.36 + 1.34 ( 50-50 )= 175.43
El valor de Z1 es igual a Z2, no se considera sobrecarga de viento por lo que, sustituyendo valores en
la expresión (3.6) y efectuando operaciones, se obtiene:
= 2.70 (400.00 * 1)2 = 432470.32
Al remplazar los valores calculados de "M" y "N" en la expresión (3.8) y efectuando operaciones se
tiene:
= T22( T2 + 175.43 ) = 432470.32 T2 = 44.36 N/mm2
Por lo tanto, la tensión mecánica a la temperatura indicada será como sigue:
H2 = 44.36 * 564.00 = 25018.00 N que equivale al 19.9 % del UTS (limite de tensión mecánica en el
cable), el cual es menor al 22 % indicado en las bases.
A esta temperatura, el cable adquiere un parámetro como sigue:
P= 25018.00 = 1400 m, con una flecha de f= 4002 . = 14.29 m
17.87 (8 * 1400)
400 * 144.36
( )121
2
1
1 ttBTT
SZAM −+−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
( )22SZAN =
( ) NMTT =+22
2
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
39
Tabla 3.4 Tabla de Resultados en Excel para esta condición
En esta condición el parámetro será el mismo al propuesto de inicio o indicado como condiciones de
control, debido a que la temperatura es la misma, 50 º C y a esta temperatura no se presentan cargas
adicionales como seria el viento y el hielo.
La celda F56, es la que se utiliza para obtener el resultado de la Tensión en la condición 2 y la cual se
muestra en la celda E56.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
40
CAMBIO DE ESTADO A TEMPERATURA DE CARGA DIARIA
Temperatura final................................................................. 27.60 ºC
Sustituyendo valores en la expresión 3.5 y efectuando operaciones, se obtiene:
2.7029 2 -44.36 + 1.34 (28-50)= 145.33
El valor de Z1 es igual a Z2, no se considera sobrecarga de viento por lo que, sustituyendo valores en
la expresión (3.5) y efectuando operaciones, se obtiene:
= 2.70 (400.00 * 1)2 = 432470.32
Al remplazar los valores calculados de "M" y "N" en la expresión (3.8) y efectuando operaciones se
tiene:
= T22( T2 + 145.33 ) = 432470.32 T2 = 47.37 N/mm2
Por lo tanto, la tensión mecánica a la temperatura indicada será como sigue:
H2 = 47.37 * 564.00 = 26718.81 N que equivale al 20.49 % del UTS (limite de tensión mecánica en el
cable), el cual es menor al 22 % indicado en las bases.
A esta temperatura, el cable adquiere un parámetro como sigue:
P= 26718.81 = 1495 m, con una flecha de f= 4002 = 13.38 m
17.87 ( 8 * 1495 )
400 * 1 44.36
( )121
2
1
1 ttBTT
SZAM −+−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
( )22SZAN =
( ) NMTT =+22
2
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
41
Tabla 3.5 Tabla de Resultados en Excel para esta condición
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
42
CAMBIO DE ESTADO CON PRESENCIA DE VIENTO MAXIMO
Temperatura final................................................................. 18 ºC
Presión de Viento en el conductor.............................................. 696.37 Pa
Sustituyendo valores en la expresión (3.4) y efectuando operaciones, se obtiene:
2.7029 2 -44.36 + 1.34 (18-50)= 132.42
El valor de la sobrecarga debida al viento sobre los cables para la presión indicada, se obtiene por la Expresión (3.13)
= 696 * 0.0320 = 22.27 N/m
Sustituyendo valores en la expresión (3.11) y efectuando operaciones:
= (17.87 + 0.00)2 + (22.7)2 = 1.60 17.87
Sustituyendo valores en la expresión (3.6) y efectuando operaciones, se obtiene:
= 2.70 (400.00 * 1.60)2 = 1104122.19
Al remplazar los valores calculados de "M" y "N" en la expresión (3.8) y efectuando operaciones se
tiene:
= T22( T2 + 132.42 ) = 1104122.19 T2 = 73.27 N/mm2
Por lo tanto, la tensión mecánica a la temperatura indicada será como sigue:
H2 = 73.27 * 564.00 = 41322.11 N que equivale al 32. % del UTS (limite de tensión mecánica en el
cable), el cual no es mayor al 33 % indicado en las bases.
La tensión mecánica obtenida es menor a la tensión longitudinal máxima en cruceta del cable
conductor Torre Tipo E92W21CA
400 * 144.36
( )121
2
1
1 ttBTT
SZAM −+−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
( )22SZAN =
( ) NMTT =+22
2
DPvWv ⋅=
( )[ ]C
VC
WWWhWZ
21
22
2++
=
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
43
A esta temperatura, el cable adquiere un parámetro como sigue:
P= 41322.11 = 1447 m, con una flecha de f= 4002 = 13.82 m
17.87 (8 * 1447)
Tabla 3.6 Tabla de Resultados en Excel para esta condición
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
44
CAMBIO DE ESTADO A TEMPERATURA MINIMA CON VIENTO REDUCIDO Y SIN HIELO
Temperatura final................................................................. 22.6 ºC
Presión de Viento en el conductor.............................................. 124.64 Pa
Espesor de la sobrecarga de hielo.............................................. 0.00 mm
Sustituyendo valores en la expresión (3.5) y efectuando operaciones, se obtiene:
2.7029 2 -44.36 + 1.34 (22.6-50)= 138.61
El coeficiente de sobrecarga en condiciones finales (Z2), para el caso de un conductor rodeado por una capa de hielo y a la vez sometido a una presión de viento reducido, se analiza de la siguiente forma. El área total del conductor con capa de hielo: At = (31.98 + 0)2 = 3212.9784 = 803.245 mm2
4 4 Área del conductor desnudo: 564 mm2 Por lo tanto el área del hielo que cubre al conductor es la diferencia de ambas: Ah = At - Ac Ah = 803.245 – 564.00 = 239.24 mm2 Por otra parte el peso especifico del hielo es: 0.00 N/m3 Por lo que el peso por metro lineal de hielo es como sigue: Wh = 0.000239245 * 0.00 = 0.00 N/m Con lo anterior, se tiene que la carga vertical por el conjunto de cable conductor con capa de hielo será como sigue: Wc + h = 0.00 + 17.87 = 17.87 N/m El valor de la sobrecarga debida al viento sobre los cables para la presión indicada, se obtiene por la Expresión (3.13)
= 125 * 0.0320 = 3.99 N/m
Sustituyendo valores en la expresión (3.11) y efectuando operaciones:
= (17.87 + 0.00)2 + (3.99)2 = 1.02 17.87
400 * 144.36
( )121
2
1
1 ttBTT
SZAM −+−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
DPvWv ⋅=
( )[ ]C
VC
WWWhWZ
21
22
2++
=
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
45
Sustituyendo valores en la expresión (3.6) y efectuando operaciones, se obtiene:
= 2.70 (400.00 * 1.02)2 = 453987.19
Al remplazar los valores calculados de "M" y "N" en la expresión (3.8) y efectuando operaciones se
tiene:
= T22( T2 + 138.61 ) = 453987.19 T2 = 49.17 N/mm2
Por lo tanto, la tensión mecánica a la temperatura indicada será como sigue:
H2 = 49.17 * 564.00 = 27732.02 N que equivale al 21.27 % del UTS (limite de tensión mecánica en el
cable), el cual no es mayor al 33 % indicado en las bases.
La tensión mecánica obtenida es menor a la tensión longitudinal máxima en cruceta del cable
conductor Torre Tipo E92W11CA
A esta temperatura, el cable adquiere un parámetro como sigue:
P= 27732.02 = 1515 m, con una flecha de f= 4002 = 13.20 m 17.87 (8 * 1515)
( )22SZAN =
( ) NMTT =+22
2
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
46
Tabla 3.7 Tabla de Resultados en Excel para esta condición
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
47
CAMBIO DE ESTADO A TEMPERATURA MINIMA, S/V, S/H, EN CONDICIONES INICIALES
Temperatura final................................................................. 22.6 ºC
Para este cambio de estado, el valor de las constantes A y B de las expresiones (3.7) y (3.9) se
obtienen empleando el modulo de elasticidad INICIAL del conductor.
= ( 3.17E-02 )2 ( 53788.23 ) = 2.25 24
= 2.05E-05 * 53788.23 = 1.10
Sustituyendo valores en la expresión (3.5) y efectuando operaciones, se obtiene:
2.25 2 -44.36 + 1.10 (22.6-50)= 138.61
Sustituyendo valores en la expresión (3.6) y efectuando operaciones, se obtiene:
= 2.25 (400.00 * 1.00)2 = 359987.06
Al remplazar los valores calculados de "M" y "N" en la expresión (3.4) y efectuando operaciones se tiene: = T2
2( T2 + 108.38 ) = 359987.06 T2 = 47.98 N/mm2
Por lo tanto, la tensión mecánica a la temperatura indicada será como sigue:
H2 = 47.98 * 564.00 = 27061.66 N que equivale al 20.76 % del UTS (limite de tensión mecánica en el
cable), el cual no es mayor al 33 % indicado en las bases.
La tensión mecánica obtenida es menor a la tensión longitudinal máxima en cruceta del cable
conductor Torre Tipo E92W21CA
400 * 144.36
EaB ,=
24
2E
Aγ
=
( )121
2
1
1 ttBTT
SZAM −+−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
( )22SZAN =
( ) NMTT =+22
2
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
48
A esta temperatura, el cable adquiere parámetro como sigue:
P= 27061.66 = 1514 m, con una flecha de f= 4002 = 13.21 m
17.87 (8 * 1514)
Tabla 3.8 Tabla de Resultados en Excel para esta condición Este mismo procedimiento se utiliza para calcular los parámetros a utilizar en los cables de guarda, ya
sea Cable de Guarda con Fibras Ópticas Integradas o Cable de Guarda Normal sin fibras ópticas,
simplemente utilizando los datos técnicos de cada cable y los diagramas de cargas sobre la cruceta
del hilo de guarda de la Torre o Poste en Cuestión.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
49
CONCLUSIONES.
Las líneas de transmisión tienen una gran importancia en todo sistema eléctrico de potencia, ya que
constituyen el medio para llevar la energía eléctrica a cualquier destino del país en conjunto con las
subestaciones. En este trabajo se analizaron las líneas trifásicas con diferentes disposiciones de los
conductores de fase, considerando el efecto de retorno por tierra e incluyendo también el cable de
guarda. Las conclusiones que se obtuvieron para cada caso son las siguientes:
1.- Se hace ver la importancia que tiene el cálculo de la tensión mecánica y parámetro para el
correcto diseño y funcionamiento de una Línea de Transmisión, ya que por medio de estos, se obtiene
el comportamiento del cable a través de las distintas condiciones climáticas a las cuales se enfrenta
en el trayecto una línea de transmisión, y más aun en un país como México que tiene diversas zonas
climáticas y por las cuales puede atravesar una Línea de Transmisión de longitud considerable, por lo
cual se repite la importancia que tiene el cálculo adecuado de la tensión y el parámetro, ya que con
estos datos se puede saber cómo se comportara la línea de transmisión en los siguientes puntos, todos
ellos de suma importancia para el buen funcionamiento eléctrico y mecánico de la línea en cada una
de las siguientes condiciones:
Condición No. 1 (TEMPERATURA MAXIMA SIN VIENTO, SIN HIELO)
-Libramiento Eléctrico: En esta condición el libramiento eléctrico será el más crítico posible ya que a esta
temperatura el cable tiene una dilatación mayor y por lo tanto el punto más bajo de la catenaria está más cerca
del suelo que en cualquier otra condición.
-Distancias Eléctricas entre fase y guarda: En este caso es cuando se tiene más separación entre Guarda y
conductor.
-Tensión en el Cable Conductor y Estructura: En este caso tanto el cable como la estructura, son sometidos a
una tensión menor que en cualquier otro caso.
-La flecha: En este caso se tiene la mayor flecha, esto debido a la dilatación del cable por el efecto de la
temperatura y envejecimiento del cable.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
50
CAMBIO DE ESTADO No. 2 (TEMPERATURA DE CARGA DIARIA)
-Libramiento Eléctrico: En esta condición el libramiento eléctrico será de un nivel intermedio comparado con
las otras condiciones.
-Distancias Eléctricas entre fase y guarda: Al igual que en el libramiento eléctrico, en esta condición se
tendrá un nivel intermedio en las distancias eléctricas, en comparación con las otras condiciones.
-Tensión en el Cable Conductor y Estructura: En este caso tanto el cable como la estructura, son sometidos a
la segunda tensión más baja, comparada con las demás condiciones.
-La flecha: En este caso se tiene una flecha de nivel intermedio con respecto a las otras condiciones.
CAMBIO DE ESTADO No. 3 (TEMPERATURA CON PRESENCIA DE VIENTO MAXIMO)
-Libramiento Eléctrico: En esta condición el libramiento eléctrico será el segundo más bajo comparado con las
otras condiciones.
-Distancias Eléctricas entre fase y guarda: En esta condición se tendrá el segundo mayor nivel en las
distancias eléctricas, en comparación con las otras condiciones.
-Tensión en el Cable Conductor y Estructura: En este caso tanto el cable como la estructura, son sometidos a
la mayor tensión, comparada con las otras condiciones.
-La flecha: En este caso se tiene la segunda mayor flecha, con respecto a las otras condiciones.
CAMBIO DE ESTADO No. 4 (TEMPERATURA MINIMA CON VIENTO REDUCIDO Y SIN HIELO)
-Libramiento Eléctrico: En esta condición el libramiento eléctrico será el más alto comparado con las otras
condiciones.
-Distancias Eléctricas entre fase y guarda: En esta condición se tendrá el menor nivel en las distancias
eléctricas, en comparación con las otras condiciones.
-Tensión en el Cable Conductor y Estructura: En este caso tanto el cable como la estructura, son sometidos a
la segunda mayor tensión, comparada con las otras condiciones.
-La flecha: En este caso se tiene la menor flecha, con respecto a las otras condiciones.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
51
CAMBIO DE ESTADO No. 5 (TEMPERATURA MINIMA, S/V,S/H, CONDICIONES INICIALES)
-Libramiento Eléctrico: En esta condición el libramiento eléctrico será el segundo más alto comparado con las
otras condiciones.
-Distancias Eléctricas entre fase y guarda: En esta condición se tendrá el segundo menor nivel en las
distancias eléctricas, en comparación con las otras condiciones.
-Tensión en el Cable Conductor y Estructura: En este caso tanto el cable como la estructura, son sometidos a
la tercera mayor tensión, comparada con las otras condiciones.
-La flecha: En este caso se tiene la segunda menor flecha, con respecto a las otras condiciones.
Los resultados y conclusiones para cada una de las 5 condiciones, nos permiten saber cuál será la
condición mas critica para la línea, pero sin exceder los usos permitidos tanto para el cable como para
la estructura, ya que si en alguna condición no se hubiesen cumplido los usos permitidos, se habría
tenido que realizar nuevamente el cálculo pero con una parámetro menor al propuesto inicialmente,
hasta hallar uno que aplicara para todas las condiciones sin exceder los usos permitidos.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
52
APÉNDICE
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
53
APÉNDICE A. PAGINAS 9 Y 10 DE LA ESPECIFICACIÓN PARA DISEÑO DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE CFE
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
54
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
55
APÉNDICE B. PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN
Los parámetros de la línea de transmisión que influyen sobre los valores de la tensión y de la
corriente, al principio y al final de la línea, y en parte de la red en la cual estén conectados, son:
La resistencia R y la reactancia X de los conductores por los que circula la corriente, que
determina la caída de tensión, de manera que R y X varia de un punto a otro de la línea,
constituyen lo que se conoce como la impedancia serie de la línea: Z= R + jX.
La conductancia G y la susceptancia B en derivación entre los conductores de la línea, que bajo la
acción de la tensión existente entre conductores mismos absorben una corriente principal en los
conductores que varía de un punto a otro de la línea; constituyen lo que se conoce como la
admitancia transversal de la línea: jBG +=γ
Estos parámetros se encuentran uniformemente distribuidos a lo largo de la línea; los valores de
estos se refieren, por lo general a 1 km de la línea y se les denomina” constantes fundamentales
de la línea”.
RESISTENCIA DE LA LÍNEA.
Los conductores eléctricos presentan una resistencia al paso de la corriente eléctrica que causa la
conversión de una parte de la energía eléctrica que circula por el conductor en calor, en proporción
directa a la resistencia del conductor y al cuadrado del valor eficaz de la intensidad de corriente que
circula por el conductor.
La resistencia por kilómetro de un conductor, si se indica por la resistividad en Ω.mm2/km del
material constituyente del conductor y por A, su sección en mm2 está dada para el caso de los
conductores cilíndricos, por medio de la siguiente fórmula:
kmA
r /Ω=ρ
(B-1)
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
56
Para los conductores cableados, es decir de varios hilos, la resistencia por kilómetro se puede expresar
como:
kmA
Kr /Ω=ρ
(B-2)
Donde K es un coeficiente, que varía de 1,01 a 1,04 pasando de las pequeñas secciones a las
grandes, y que toma también en cuenta la longitud efectiva de los conductores elementales (hilos) que
forman el cableado. El valor de esta resistencia se da normalmente en tablas de características de
conductores.
RESISTENCIA DE CORRIENTE DIRECTA.
La resistencia de c.d. se caracteriza por tener una densidad de corriente distribuida
uniformemente en toda la sección transversal del conductor, la cual puede calcularse mediante la
expresión siguiente:
Rl
A0 =ρ
Ω (B-3)
Donde:
ρ = resistividad del material conductor (Ω.m)
l = longitud del conductor (m)
A = área efectiva de la sección transversal del conductor (m2)
Si se utiliza el sistema inglés, en lugar del métrico decimal, entonces la longitud y área del
conductor estarán dadas en ft y ft2, respectivamente. Sin embargo, puede usarse cualquier sistema
congruente de unidades, de modo que resulte que la unidad de longitud esté dada en kilómetros o
millas, que es lo más usual.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
57
EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA RESISTENCIA.
Un cambio en la temperatura causa una variación en la resistencia, en forma prácticamente
lineal, dentro del margen normal de utilización de la línea de transmisión. Esta variación está dada
por la siguiente ecuación:
RR
T tT t
2
1
2
1=
++ (B-4)
Donde R1 y R2 son las resistencias a las temperaturas t1 y t2, respectivamente. La constante T
depende del material conductor y se define como la temperatura a la cual la resistencia del conductor
es igual a cero. Para el aluminio T es aproximadamente 228. Puede concluirse que un incremento de
temperatura causa un aumento de la resistencia y viceversa.
EFECTO CORONA
Aunque este fenómeno no afecta a la resistencia en una forma directa, sí influye en la eficiencia
de operación de la línea de transmisión, debido a que su existencia produce pérdidas adicionales. Este
efecto tiene relación con la producción de campos eléctricos debidos a altas densidades de carga cuya
intensidad es capaz de ionizar el aire circundante a los conductores de fase de la línea de transmisión.
Una ionización extrema resulta la presencia de arcos eléctricos entre conductores.
Puede detectarse audiblemente por el zumbido que produce y visualmente por el aura luminosa
que se presenta en cada conductor de fase. Produce pérdidas e interferencias radiofónicas,
relativamente pequeñas en ambientes secos y tienden a incrementarse en ambientes más húmedos.
Las pérdidas de energía debidas al efecto corona son, por lo tanto, de dos clases: la primera, la
energía necesaria para la ionización, la segunda, la energía necesaria para desplazar las cargas; esta
última clase de pérdidas es, en corriente alterna, mucho mayor que la primera, la cual puede ser
despreciada.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
58
Las pérdidas por efecto corona pueden calcularse aproximadamente con la siguiente fórmula [7]:
( )2
10
261096,20
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
××=
−
rDMGLog
FkVfp n kW/km/fase (B-5)
Donde:
p = Pérdidas por efecto corona.
f = Frecuencia del sistema.
kVn = Voltaje (valor eficaz) al neutro, en kV.
DMG = Distancia Media Geométrica de los conductores.
r = Radio del conductor.
F = ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
0VVn ; valores que se encuentran en la tabla 3.1
Vn = Voltaje al neutro, valor eficaz.
Vo = Voltaje crítico disruptivo.
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
0VVn
F
0,6 0,011
0,7 0,014
0,8 0,018
0,9 0,025
1,0 0,036
1,1 0,053
1,2 0,085
1,3 0,150
1,5 0,950
2,0 7,000
10,0 28,000
Tabla B.1 valores de F en para calcular las pérdidas por efecto corona.
[7] Fórmula de Peterson para calcular las pérdidas por efecto corona, Redes eléctricas primera parte, Jacinto Vaqueira Landa.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
59
INDUCTANCIA.
La inductancia de un circuito se define como la primera derivada del flujo que se eslabona con el
circuito con respecto a la corriente que circula por el circuito. Generalmente el material de que
están hechos los conductores de las líneas de transmisión es de aluminio, o sea, material no
magnético para el cual la permeabilidad eléctrica (µ) es de 1.
La expresión de la inductancia de un alambre macizo, cilíndrico de material no magnético es:
mHRMGDMGLnL /10*2 7 == − (B-6)
Donde:
DMG, es la distancia media geométrica.
El valor de DMG se calcula como se indica a continuación:
n DDD 231312 (B-7)
Siendo:
n= Número de conductores de la línea, las distancias entre conductores.
RMG, se conoce como el radio medio geométrico del conductor, y es aplicable a los conductores
eléctricos formados por varios hilos trenzados; y por lo mismo, no son perfectamente cilíndricos, por
lo que el radio del conductor no es exacto.
Por otra parte, el flujo interno o inducción interna, se presenta en cada uno de los hilos del
conductor, por lo que se calcula como la media geométrica de los flujos instantáneos, por cada hilo
del conductor.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
60
Para fines de cálculo, se expresa en función de la geometría propia del conductor, como un radio
equivalente que se conoce como: “Radio Medio Geométrico”, que se expresa como referencia al radio
de un conductor cilíndrico homogéneo equivalente.
El valor de RMG depende principalmente de los siguientes factores:
El número de materiales de que esta hecho el conductor.
Del número de hilos que forma al conductor.
Del número de capas en que se encuentran distribuidos los hilos del conductor.
Algunos valores de RMG se pueden calcular con las expresiones siguientes, aun cuando
normalmente se dan en las tablas de características de conductores:
PARA CONDUCTOR DE UN SOLO MATERIAL
7 hilos
19 hilos
37 hilos
61 hilos
0,726r
0,758r
0,768r
0,772r
Tabla B.2 Radio Medio Geométrico de conductores en función de su radio exterior.
PARA CONDUCTORES DE ALUMINIO, CON ALMA DE ACERO, (ACSR)
30 hilos (2 capas)
26 hilos (2 capas)
54 hilos (3 capas)
0,826r
0,809r
0,810r
Tabla B.3 Radio Medio Geométrico de conductores con alma de acero en función de su radio exterior.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
61
INDUCTANCIA Y REACTANCIA INDUCTIVA DE LOS CIRCUITOS TRIFÁSICOS EN PARALELO.
En México, existen torres de transmisión con dos o más circuitos en paralelo. Dos circuitos que
están igualmente constituidos y están en paralelo tienen la misma reactancia inductiva.
La reactancia inductiva del circuito equivalente simple es, sin embargo, solamente la mitad de la
de uno de los circuitos considerando cuando están separados que la inductancia mutua sea
despreciable. Si los dos circuitos están en la misma torre, puede emplearse el método de la DMG para
encontrar la inductancia por fase, considerando que todos los conductores de una fase son hilos del
mismo conductor compuesto.
En la figura 3.1 se muestra un arreglo típico de un circuito trifásico en paralelo; los conductores a-
a’ están en paralelo para formar la fase a. Las fases b y c son similares, suponemos que a-a’ toman las
posiciones de b-b’ y posteriormente c-c’ como aquellos conductores que se rotan en un ciclo de
transposición[8].
Figura B.1 Modelo de dos circuitos trifásicos en paralelo
[8] El balance de las tres fases puede lograrse intercambiando las posiciones de los conductores a intervalos regulares a lo largo de la línea,
de tal forma que cada conductor ocupe la posición de cada uno de los otros conductores sobre una distancia igual, a esto se le llama
transposición, Análisis de sistemas eléctricos de potencia, William D. Stevenson.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
62
La distancia media geométrica entre los conductores de las fases a y los de la fase b se calcula de la
siguiente ecuación:
( )24 ''''' abababaababAB DDDDDDDMGb
×=×××= (B-8)
La distancia media geométrica entre los conductores de las fases b y c se calcula de la siguiente
ecuación:
( )24 ''''' bcbcbcbbcbcBC DDDDDDDMGc
×=×××= (B-9)
La distancia media geométrica entre los conductores de las fases c y a se calcula de la siguiente
ecuación:
( )24 ''''' cacacaccacaCA DDDDDDDMGa
×=×××= (B-10)
Entonces, la DMG equivalente del circuito trifásico mostrado en la figura 3.1 es la siguiente:
3CABCABEEQUIVALENT DMGDMGDMGDMG ××= (B-11)
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
63
El Radio Medio Geométrico del conjunto de dos conductores correspondientes a la fase A se calcula de
la siguiente manera:
4 2'' aaaaA drrRMG ××= (B-12)
Donde:
ra = Radio Medio Geométrico del conductor a
ra’ = Radio medio Geométrico del conductor a’
daa’= Distancia entre los conductores a-a’
Si los conductores de los dos circuitos son iguales, como ocurre generalmente, ra = ra’ = r1., la ecuación
3-12 se convierte en la siguiente:
'1 aaA drRMG ×= (B-13)
Análogamente, los radios medios geométricos del conjunto de dos conductores correspondientes a las
fases B y C, son las siguientes:
'1 bbB drRMG ×=
(B-14)
'1 CCc drRMG ×=
Por lo tanto, la RMG equivalente se calculará con la fórmula siguiente:
3CBAEEQUIVALENT RMGRMGRMGRMG ××= (B-15)
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
64
ADMITANCIA EN PARALELO.
La admitancia en paralelo de líneas de transmisión está formada básicamente por dos parámetros:
conductancia y capacitancia. Sin embargo, el primero de ellos se desprecia por las razones que se
describen a continuación.
CONDUCTANCIA.
Para éste parámetro no existe un modelo matemático preciso, resulta de la observación de las
“corrientes de fuga” describiendo una trayectoria de las fases a tierra. Éstas corrientes fluyen a través
del aislador hacia la torre, siendo función de la eficiencia del aislador, la cual varía significativamente
con el calor, humedad atmosférica, contaminación y salinidad del ambiente, entre otros factores. Por
esta razón, obtener un modelo matemático representativo de éste fenómeno, resulta una tarea
compleja. Por otro lado, es común despreciar este el efecto de las corrientes de fuga, debido a que
representan un porcentaje muy pequeño con respecto a las corrientes nominales de la línea.
Las pérdidas de dispersión en líneas aéreas, son de dos tipos: pérdida en la superficie de los
aisladores, y pérdidas por efecto corona. Las pérdidas en la superficie de los aisladores dependen de
las condiciones meteorológicas y de la tensión y pueden variar de 3 Watts por aislador con tiempo
seco, hasta 5 a 20 Watts por aislador en tiempo lluvioso. Las pérdidas por efecto corona se presentan
cuando el campo eléctrico del conductor supera la rigidez dieléctrica del aire, la cual, en condiciones
atmosféricas normales, es del orden de 30 kV/cm.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
65
CAPACITANCIA MONOFÁSICA.
Al aplicar una diferencia de potencial entre los extremos de dos conductores separados por un
dieléctrico, estos conductores adquieren una carga eléctrica, (q) que es proporcional al voltaje (V)
aplicado y a una constante de proporcionalidad (C) llamada capacitancia, que depende de la
naturaleza del dieléctrico, de las dimensiones de los conductores y de su separación.
A partir de la ecuación de teoría de campo eléctrico:
ξπ ε
=q
V m2 0
/ (B-16)
Donde ε 0 = 8,854x10-12 F/m, q es la carga en Coulombs. De acuerdo a la figura 3.2, la diferencia de
potencial entre los puntos 1 y 2 está dada por:
Vq
nDD
V122
12=
π ε (B-17)
Donde ε es la permitividad del medio circundante.
Figura B.2. Esquema para analizar la caída de potencial entre dos puntos.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
66
A partir de la ecuación 3-17, puede encontrarse la expresión para una línea monofásica, la cual se
representa por la figura 3.3.
Figura B.3. Esquema de una línea monofásica para el análisis de capacitancias
La diferencia de potencial entre los dos conductores de la figura 3.2 es la siguiente:
Vq
nDr
qn
rDab
a
a
b b= +2 2πε πε
(B-18)
Y sabiendo que q qa b= − , la ecuación 3.18 se simplifica y queda de la siguiente forma:
Vq
nD
r raba
a b=
2
2
πε F/m (B-19)
Por definición, la capacitancia es:
Cq
Vab= F/ul (B-20)
Sustituyendo la ecuación (3-19) en (3-20), y considerando que r ra b= = r, se obtiene lo siguiente:
Cn D rab =
2πε( / )
F/m (B-21)
La ecuación 3.21 también puede definirse como sigue:
rd
kCab
ln1036 9×= F/m (B-22)
Donde:
k = Constante dieléctrica o coeficiente dieléctrico, para el aire es igual a 1.
d = Distancia media geométrica del conductor (m)
r = Radio externo del conductor (m)
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
67
La capacitancia al neutro nC puede calcularse de la siguiente manera[9]:
El voltaje al neutro es rdqLn
kVV AB
n
910182
×== (B-23)
Entonces, la ecuación de la capacitancia al neutro es de la siguiente manera:
rdLn
kC
VqC
n
nn
91018×=
=
F/m (B-24)
Expresando la capacitancia en función del logaritmo decimal y en microfarads por kilómetro se tiene
lo siguiente:
rdLog
kC
rdLog
kC
n
n
10
109
36
02412,0
3026,21018
1010
=
×××
×=
μF/km/conductor (B.25)
La reactancia capacitiva al neutro se expresa en la siguiente fórmula:
rdLog
fkX
krdLog
CfX
c
c
10
10
596,6
02412,0221
=
××=
××=
ππ M Ω x km /conductor (B-26)
La capacitancia varía en proporción directa a la longitud y la reactancia capacitiva varía en proporción
inversa a la longitud.
[9] Demostración de la fórmula de la capacitancia monofásica, Redes eléctricas primera parte, Jacinto Viqueira Landa.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
68
CAPACITANCIA Y REACTANCIA CAPACITIVA EN FUNCIÓN DE LAS DISTANCIAS MEDIAS GEOMÉTRICAS Y
LOS RADIOS MEDIOS GEOMÉTRICOS.
En el caso que se tengan varios circuitos trifásicos paralelos o con arreglos de conductores por
fase, se utiliza la siguiente ecuación:
n nRrenRMG 1−××= (B-27)
Donde: re = Radio exterior de cada conductor de fase. R = Distancia entre los arreglos de conductores de fase n = Número de conductores en el arreglo de las fases. Entonces las ecuaciones 3-25 y 3-26 se modifican de la siguiente manera:
RMGDMGLog
kC
rdLog
kC
n
n
10
109
36
02412,0
3026,21018
1010
=
×××
×=
μF /km/conductor (B-28)
RMGDMGLog
fkX
kRMGDMGLog
CfX
c
c
10
10
596,6
02412,0221
=
××=
××=
ππ M Ω x km /conductor (B.29)
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
69
EFECTO DE LA TIERRA SOBRE LA CAPACITANCIA Y LA REACTANCIA CAPACITIVA DE LAS LÍNEAS DE
TRANSMISIÓN.
La capacitancia entre los conductores y la tierra equivale a simular que los conductores están
colocados en un dieléctrico de extensión infinita. Esta simulación da como resultados aproximados
cuando la distancia entre conductores es menor que la distancia entre los conductores y tierra. En las
líneas de transmisión con tensiones de 115 kV, 230 kV, 400 kV y la distancia entre fases es del mismo
orden que la distancia a tierra de los conductores y por lo tanto no puede despreciarse el efecto de la
tierra sobre la capacitancia y la reactancia capacitiva de la línea.
La presencia de conductores próximos y el lugar donde se encuentra los cables de la línea, como
la tierra y los hilos de guarda, hace aumentar la capacitancia de la misma. Este efecto se describe de
la siguiente manera:
Si se sustituye parte del dieléctrico que envuelve los conductores de fase por un cuerpo
conductor, como no se necesita diferencia de potencial para sostener el flujo eléctrico en un cuerpo
conductor, el flujo (q) podrá sostenerse con una diferencia de potencial menor. A igual carga (q) y
menor diferencia de potencial (V) resultará una capacitancia mayor.
Si suponemos el voltaje fijo (V), el efecto de proximidad de cuerpos conductores se manifiesta
como el aumento de la carga eléctrica de los cables de la línea (y en consecuencia de la capacitancia)
con respecto a la carga que se tiene considerando el dieléctrico que rodea a los cables de la línea de
extensión infinita.
Para calcular la magnitud del efecto de la tierra sobre la capacitancia de la línea, el efecto de los
hilos de guarda es despreciable para un sistema de régimen permanentemente equilibrado.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
70
CAPACITANCIA DE LA LÍNEA MONOFÁSICA CON RETORNO POR TIERRA.
Figura B.4 Esquema de una línea monofàsica con retorno por tierra.
Si el conductor tiene una carga (+q) coulombs/m, que induce en el plano de tierra una carga
negativa. La superficie de la tierra es equipotencial y las líneas de fuerza estarán a este plano
normalmente. La distribución de flujo electroestático será como se indica en la figura con la línea
uniforme, se tiene la misma distribución del flujo en la región del espacio superior al plano de tierra,
si se sustituye ésta por un conductor ficticio a una distancia (h) igual a la altura del conductor sobre
dicha superficie y con una carga (-q).
Aplicando la ecuación de la capacitancia monofásica a este circuito constituido por el conductor y
su imagen, se tiene lo siguiente:
rhLog
Cn 202412,0
10
= μF/km/conductor (B-30)
Donde:
h = Altura del conductor sobre la tierra
r = Radio externo del conductor de fase.
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
71
CAPACITANCIA DE LA LÍNEA MONOFÁSICA DE DOS CONDUCTORES IGUALES Y PARALELOS, TOMANDO
EN CUENTA EL EFECTO DE LA TIERRA.
Figura B.5 Esquema de una línea monofásica de dos conductores iguales y paralelos.
La diferencia de potencial entre un punto de la superficie del conductor A y un punto de la
superficie del conductor B, debida a las cargas entre A y B con respecto a sus imágenes es:
( ) ( ) ( )
( )
( ) ( )22
22
2222
9
2cos
2cos
2
cos
2
cos111018
Xdh
Xd
Xh
X
dxxdh
qdxxh
qxd
qdxx
qk
Vrd
r
rd
r
rd
r
rd
rAB
−+
−=
+=
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
−+−
+−
−+=
×= ∫ ∫∫∫
− −−−
β
α
βα
(B-31)
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
72
Sustituyendo los valores de cos (α) y cos (β) se tiene lo siguiente:
( )Vdx
xdhxd
xhxqdx
xdxq
kV
rd
r
rd
dAB⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
−+
−−
+−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
−+=
×= ∫ ∫
− −
2222
9
44111018
Realizando las operaciones correspondientes en la ecuación anterior se tiene lo siguiente:
( )[ ] ( ) ( )( ) VxdhLnxhLnxdLnLnXk
Vrd
r
rdrAB
−−
⎩⎨⎧
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −+−+−−−
×= 2222
9
4214
211018
( )( )
Vrdh
rhLnrh
rdhLnrd
rLnr
rdLnqk
VAB ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
−+
++
+−+
−−
−−×
= 22
22
22
229
44
21
44
211018
r es mucho menor que (h) y que (d) y se desprecia en las dos expresiones bajo el radical y en el
termino (d-r).
Vdh
hrdLnq
kVAB ⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
+×
×=
22
9
4
21036 (B-32)
22
9
421036
dhh
rdLn
kVqC
nAB
+×××
== F/m (B-33)
( )
( )V
rdhrh
rrdLnq
kV
Vrdh
rhLnr
rdLnqk
V
AB
AB
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
−+
+×
−×=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
−+
++
−×=
22
229
22
229
441036
44221018
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
73
La tensión al neutro de los conductores A y B es:
Vdh
hrdLnq
kV
V ABn ⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
+×
×==
22
9
4
210182
(B-34)
Y la capacitancia al neutro es:
22
9
421018
dhh
rdLn
kCn
+×××
= F/m/conductor (B.35)
Expresando la capacitancia al neutro en función del logaritmo decimal y en microfarads por kilómetro
es de la siguiente forma:
22104
202412,0
dhh
rdLog
kCn
+×
×= μF/km/conductor (B-36)
La reactancia capacitiva al neutro se describe en la siguiente fórmula:
22104
2596,6
21
dhh
rdLog
fkX
fCX
c
c
+×=
=π
M Ω x km/conductor. (B-37)
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
74
Como la altura del conductor sobre el piso no es constante, debido a la catenaria del conductor,
el valor (h) que se emplea en la fórmula debe ser la altura media, que se calcula a partir de la
siguiente expresión:
Altura media (h) = Fhs 70,0−
Donde:
sh = Altura del conductor en el punto de soporte.
F = Flecha del conductor.
r = Radio externo del conductor.
CAPACITANCIA DE UN CIRCUITO TRIFÁSICO TOMANDO EN CUENTA EL EFECTO DE LA TIERRA.
Las fórmulas deducidas para el caso de una línea monofásica de dos hilos se aplican también al
cálculo de las capacitancias y reactancia capacitiva al neutro de un circuito trifásico, sustituyendo (d)
por la distancia media geométrica entre los tres conductores DMG, (h) por la altura medias de los tres
conductores sobre el piso HMG = 3321 hhh ×× donde 321 hhh ×× son las alturas medias de los tres
conductores, y, en caso de que haya varios conductores por fase, r por el radio medio geométrico del
haz de conductores de cada fase.
Las fórmulas son las siguientes:
22104
202412,0
DMGHMGHMG
RMGDMGLog
kCn
+×
×= μF/km/fase (B-38)
22104
2596,6DMGHMG
HMGRMGDMGLog
fkX c
+×= M Ω x km (B-39)
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
75
APÉNDICE C. TORRES DE TRANSMISIÓN VARIAS.
C.1 Dimensiones para una torre de transmisión de energía eléctrica en 115 kV con un circuito, usadas en
Comisión Federal de Electricidad (CFE).
Nota: Las dimensiones están dadas en metros (m)
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
76
C.2 Dimensiones para una torre de transmisión de energía eléctrica en 230 kV con dos circuitos.
Nota: Las dimensiones están dadas en metros (m)
CALCULO DE LA TENSION MECANICA Y PARAMETRO DEL CABLE CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
77
REFERENCIAS
NOM-001-SEDE-1999. Instalaciones Eléctricas (Utilización).
NOM-008-SCFI-1993- Sistema General de Unidades de Medida.
IEEE-STD-524. Guía de Instalación del Cable de Guarda.
CFE-E0000-22. Cables de Guarda.
NRF-014-CFE-2004. Derecho de vía para la construcción de torres de transmisión de energía eléctrica
en México.
ESPECIFICACION PARA DISEÑO DE LINEAS DE TRANSMISION AEREAS” (CPTT-DDLT-
001/02)2007
Manual de Diseño de Líneas de Transmisión, Gilberto Enríquez Harper, sección IEEE México.
Manual de Conductores para Líneas Aéreas Alumoweld.
Manual de Conductores para Líneas Aéreas Condumex.
Análisis de Sistemas Eléctricos de Potencia, William D. Stevenson, segunda edición, Mc Graw Hill,
1982.
Calculo de Flechas y Tensiones, Comision Federal de Electricidad (1969)
Method of Symmetrical Coordinates Applied to the Solution of Polyphase Networks. C.L Fortescue.
Redes Eléctricas en Régimen Permanente Equilibrado, Jacinto Viqueira Landa, Representaciones y
Servicios de Ingeniería, 1970.