Vibraciones en Lineas de Alta Tension
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Todo Sobre
de Alta Tensión
Universidad de Chile, Departamento de Ingeniería Eléctrica.
Abstract: las líneas de alta tensión, por
causas ambientales, se ven sometidas a
esfuerzos mecánicos en todos sus
componentes. Los conductores,
torres y ferreterías, se ven tensionados en
distintas direcciones cuando el viento
choca contra la superficie de todos ellos.
En particular, la fuerza del viento sobre los
conductores puede provocar vibraciones en
estos, las cuales pueden tener efectos
mecánicos considerables.
En este paper, se estudian dos tipos
de vibraciones que se dan en los
conductores de las líneas de alta tensión.
El primer tipo de oscilaciones son las de
alta frecuencia, las cuales pueden provocar
fatiga y daño en las hebras de los
conductores. El segundo tipo es el
conocido efecto galloping el cual es
provocado por la acción del viento y la
formación de hielo en los conductores y,
de ser excesivo, puede provocar daños
importantes en una línea de AT.
En ambos casos, se estudi
orígenes físicos de las vibraciones
muestran los efectos prácticos, y se
exponen las tecnologías existentes para
prevenir daños desde el punto de vista del
diseñador de las líneas.
I. Vibraciones de Alta Frecuencia
I.1 Origen Físico
Supongamos un viento
en dirección horizontal que golpea
conductor de una línea de transmisión.
Todo Sobre Vibraciones en Líneas
de Alta Tensión Pablo Jiménez Pinto.
Universidad de Chile, Departamento de Ingeniería Eléctrica.
Taller de Proyectos II.
las líneas de alta tensión, por
causas ambientales, se ven sometidas a
esfuerzos mecánicos en todos sus
aisladores,
as, se ven tensionados en
distintas direcciones cuando el viento
de todos ellos.
En particular, la fuerza del viento sobre los
conductores puede provocar vibraciones en
estos, las cuales pueden tener efectos
paper, se estudian dos tipos
de vibraciones que se dan en los
conductores de las líneas de alta tensión.
El primer tipo de oscilaciones son las de
pueden provocar
fatiga y daño en las hebras de los
conductores. El segundo tipo es el
el cual es
provocado por la acción del viento y la
formación de hielo en los conductores y,
de ser excesivo, puede provocar daños
En ambos casos, se estudian los
orígenes físicos de las vibraciones, se
ran los efectos prácticos, y se
exponen las tecnologías existentes para
prevenir daños desde el punto de vista del
Vibraciones de Alta Frecuencia
moderado
en dirección horizontal que golpea el
conductor de una línea de transmisión.
Supongamos además por simplicidad
la línea está configurada con un
conductor por fase.
Al chocar el viento con la sección
circular del conductor, el líneas de flujo
del viento se curvan haciendo que al l
contrario del choque se produzca un
vórtice (como en el lavamos
nuevamente las líneas de flujo. Ver la
siguiente figura:
La posición y sentido del vórtice
son muy inestables y, debido a las
perturbaciones naturales del viento,
cambian de arriba abajo alternadamente, y
así también cambia el sentido de giro del
vórtice. Esta variación en la p
sentido de giro del vórtice produce fuerzas
alternas sobre el conductor, es decir, un
vibración mecánica. La fuerza ocurre en la
dirección vertical (si el viento es
horizontal) y se transmite a lo largo de
todo el conductor. La frecuencia de estas
vibraciones están generalmente en
de 5 a 60 Hz. Las amplitudes son
imperceptibles al ojo humano y se
dañinas para el conductor cuando son
comparables con el diámetro del
conductor.
Líneas
Universidad de Chile, Departamento de Ingeniería Eléctrica.
por simplicidad que
la línea está configurada con un solo
Al chocar el viento con la sección
, el líneas de flujo
ciendo que al lado
contrario del choque se produzca un
o en el lavamos) al juntarse
e las líneas de flujo. Ver la
posición y sentido del vórtice
s y, debido a las
naturales del viento,
alternadamente, y
así también cambia el sentido de giro del
vórtice. Esta variación en la posición y
sentido de giro del vórtice produce fuerzas
alternas sobre el conductor, es decir, una
ibración mecánica. La fuerza ocurre en la
dirección vertical (si el viento es
transmite a lo largo de
uencia de estas
generalmente en el rango
amplitudes son
no y se vuelven
dañinas para el conductor cuando son
comparables con el diámetro del
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La siguiente figura muestra
formación del vórtice al chocar el viento
contra un cilindro, analizado en un túnel de
viento:
I.2 Efecto en las Líneas AT
Puede ocurrir que las amplitudes de
estas vibraciones sean considerablemente
altas, provocando que el conductor se
flecte alternamente en una dirección y
en el plano vertical. En los puntos en que
el conductor está suportado por los
aisladores, la curvatura en que se flecta el
conductor es más pronunciada
periodicidad del movimiento, las hebras
del conductor se calienta, fatigan, y
eventualmente se cortan. Ver la siguiente
figura:
Al cortarse una o varias hebras
conductor, se forman puntos calientes que
se traducen en pérdidas óhmicas en la l
de transmisión. Además de disminuir las
capacidades de tensión mecánica del
conductor.
Además de producirse daños en las
hebras de los conductores, se produce
fatiga en las ferreterías que soportan los
siguiente figura muestra la
car el viento
, analizado en un túnel de
que las amplitudes de
estas vibraciones sean considerablemente
altas, provocando que el conductor se
en una dirección y otra
En los puntos en que
do por los
aisladores, la curvatura en que se flecta el
y, dada la
periodicidad del movimiento, las hebras
del conductor se calienta, fatigan, y
eventualmente se cortan. Ver la siguiente
Al cortarse una o varias hebras del
se forman puntos calientes que
se traducen en pérdidas óhmicas en la línea
de transmisión. Además de disminuir las
capacidades de tensión mecánica del
s de producirse daños en las
los conductores, se produce
fatiga en las ferreterías que soportan los
conductores. Por ejemplo, la siguiente
figura muestra el daño causado por las
vibraciones de alta frecuencia en dos
soportes U que fueron utilizados en una
línea de AT por 6 años:
III. Formas de Amortiguación
El diseñador de la configuración
mecánica de la línea debe tener en
consideración la prevención de
oscilaciones de alta frecuencia p
daños que se mencionaron.
Para reducir la amplitud de las
vibraciones de alta frecuencia se utilizan
amortiguadores stockbridge
muestra en la figura siguiente:
La ubicación óptima de los
amortiguadores es un tema abierto y no
resuelto del todo. En la figura anterior se
muestra una configuración asimétrica que
busca cambiar la frecuencia de oscilación
propia de los conductores.
Cuando se utilizan más de un
conductor por fase, se pueden utilizan
separadores no rígidos o separadores
amortiguadores. Estos separadores, a
conductores. Por ejemplo, la siguiente
el daño causado por las
vibraciones de alta frecuencia en dos
soportes U que fueron utilizados en una
Amortiguación y Monitoreo
El diseñador de la configuración
mecánica de la línea debe tener en
onsideración la prevención de
frecuencia por los
Para reducir la amplitud de las
vibraciones de alta frecuencia se utilizan
stockbridge, como se
muestra en la figura siguiente:
icación óptima de los
amortiguadores es un tema abierto y no
resuelto del todo. En la figura anterior se
a una configuración asimétrica que
sca cambiar la frecuencia de oscilación
Cuando se utilizan más de un
conductor por fase, se pueden utilizan
o separadores
amortiguadores. Estos separadores, a
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diferencia de los separadores rígidos,
permiten un movimiento relativo entre los
subconductores de cada fase por medio de
resortes y/o gomas. Están calculados para
que se disipe energía en este movimiento
relativo, lo cual se traduce en una
amortiguación de las vibraciones de alta
frecuencia. Un ejemplo de separador
amortiguador (spacer dampers en inglés)
para un haz de 3 subconductores y otro
para 4 subconductores se muestran a
continuación:
Cabe señalar que es mucho más
difícil predecir las vibraciones de alta
frecuencia cuando se utilizan varios
subconductores por fase. Para ello se
proponen constantemente modelos
matemáticos para predecir con mayor
exactitud estas oscilaciones en los
conductores.
Además de hacer las
consideraciones pertinentes en el diseño
mecánico de las líneas, se han
desarrollados equipos de monitoreo de
vibraciones de conductores. Estos equipos
se instalan generalmente colgando de los
conductores y registran las frecuencias,
amplitudes y periodicidad de las
oscilaciones de los conductores. A partir
de estos datos se puede evaluar el
desempeño de los sistemas de
amortiguamiento y, eventualmente, hacer
modificaciones en su diseño. Un ejemplo
de estos equipos se muestra en la siguiente
figura:
II. Vibraciones de Baja Frecuencia
II.1 Origen Físico
Las vibraciones de baja frecuencia
en las líneas de AT, conocidas como
galloping, se produces en líneas de AT
aéreas de uno o varios conductores por
fase por efecto del viento y la formación
de hielo sobre los conductores.
Cuando se forma hielo sobre los
conductores, se modifica el perfil
transversal originalmente circular del
conductor. El nuevo perfil presenta formas
irregulares que suelen ser
aerodinámicamente inestables. Esto
provoca que ante un viento transversal
constante, de cierta velocidad, se
produzcan oscilaciones mecánicas de los
conductores de amplitudes considerables
fácilmente detectables por el ojo humano.
Las frecuencias de estas
oscilaciones típicamente son de entre 0.15
a 1.0 Hz. Generalmente, pero no siempre,
las oscilaciones son en el plano vertical y
las amplitudes pueden llegar hasta la
distancia entre conductores de dos fases
distintas. El viento necesario para provocar
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este efecto es del orden de 7 m/s o
superior.
II.2 Efectos en Líneas de AT
En una primera etapa, el galloping
puede provocan que conductores de
distintas fases se acerquen demasiado
provocando corto circuitos entre dos o más
fases. Esto, en el mejor de los casos,
repercute en una interrupción del
suministro por la operación de las
protecciones de la línea.
En un caso más extremo, el
galloping puede ser de una amplitud tal
que los esfuerzos dinámicos en las cadenas
de aisladores supere la resistencia
mecánica de estos provocando que uno o
más aisladores se rompa. Esto repercute en
una interrupción de suministro de hasta
varias horas debido a lo que significa
cambiar un aislador en una línea de AT.
En el peor de los casos, el
galloping puede provocar que las
oscilaciones se transmitan a las torres con
una amplitud y frecuencia tal que todo el
sistema resuena mecánicamente resultando
en la destrucción de una o varias
estructuras. La foto que se muestra a
continuación muestra la caída de varias
torres de AT.
La foto que se muestra a
continuación da cuenta de la caída de
varias torres de una línea de AT en
Quebec, Canadá en 1998 producto de una
tormenta de hielo y viento:
Cabe mencionar que en Chile
nunca se ha producido la caída de una torre
de AT por causas no intencionales, lo cual
habla por sí solo de la buena calidad de la
ingeniería de alta tensión nacional.
II.3 Métodos para evitar el Galloping
Actualmente, existen distintos
métodos para reducir el galloping en las
líneas de AT. La mayoría de los métodos
consisten en instalar dispositivos que
amortiguan las oscilaciones ya sea
disipando energía (amortiguadores
propiamente) o cambiando las frecuencias
de oscilación propias de las líneas.
Entre los amortiguadores, los más
utilizados son los de tipo stockbridge
como el que se muestra a continuación:
El amortiguador stockbridge está
formado por una mordaza que lo sujeta al
conductor. Luego tiene un eje flexible
horizontal que sostiene dos masas. Los hay
del tipo simétricos y asimétricos, con
masas iguales y distintas, respectivamente.
En general, los simétricos tienden a
crear un nodo en su posición, es decir, un
punto que permanece estático. Su
rendimiento se hace menos efectivo a
medida que la oscilación del conductor se
acerca a la frecuencia propia del
amortiguador. También su rendimiento se
ve disminuido cuando el conductor mueve
muy fácilmente el amortiguados
(amortiguador muy liviano en
comparación con el conductor).
Los amortiguadores asimétricos
tienen pesos distintos a cada lado. En
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general, cuando se disponen a distancias
distintas de la cadena de aisladores,
tienden a hacer la respuesta en frecuencia
de la línea más plana (respuesta en
frecuencia mecánica).
Otros mecanismos para suprimir
las oscilaciones tipo galloping son los
amortiguadores aerodinámicos. Estos
amortiguadores funcionan generando una
torsión a partir de la fuerza que el viento
ejerce sobre ellos. Esta torsión hace que el
conductor se gire sobre sí mismo haciendo
que todo el perfil del conductor sea
expuesto al viento. De esta manera, las
formas irregulares del perfil del conductor
producto de la formación de hielo anulan
su efecto aerodinámico ya que en el largo
de un vano se tiene casi todo el perfil del
conductor expuesto hacia el viento. En la
imagen se muestra uno de estos
amortiguadores aerodinámicos para haces
de dos subconductores por fase, que
también sirven como espaciadores:
Salvo estos espaciadores
amortiguadores aerodinámicos, en general,
los espaciadores amortiguadores no rígidos
que se utilizan para amortiguar las
oscilaciones de alta frecuencia, no sirven
para evitar el galloping ya que están
diseñados para disipar energía a una
frecuencia mucho mayor a las de
galloping.
Otros métodos más innovadores
para atenuar las oscilaciones por galloping
se han desarrollado. Entre ellas se pueden
mencionar otros amortiguadores
aerodinámicos que se oponen al
movimiento de los conductores mediante
una fuerza aerodinámica que se acomoda a
la dirección en que se mueve el conductor.
En conclusión, el problema del galloping
es un tema aun abierto.
Referencias
[1] Wang, Lilien, OVERHEAD
ELECTRICAL TRANSMISSION LINE
GALLOPING, IEEE Transactions on
Power Delivery, Vol. 13, No. 3, July 1998
[2] http://www.arproducts.org
[3] http://www.havardengineering.com