Cómo Israel aumentó la capacidad de transmisión de sus líneas sin cambiar las estructuras existentes

Israel reacondiciona las líneas de transmisión con conductores de alta temperatura y bajo ruido.

Las empresas de servicios públicos siguen enfrentándose a numerosos obstáculos técnicos, entre los que destaca la infraestructura de transmisión y distribución. A medida que la demanda de electricidad continúa creciendo, también lo hacen los retos crecientes de mejorar la infraestructura existente y construir nuevos circuitos de transmisión. Como resultado, las empresas de servicios públicos están buscando formas nuevas e innovadoras de aumentar las capacidades de los circuitos y mantener la fiabilidad del sistema.

El Israel Electric Corp. (IEC), que actualmente experimenta un incremento en la demanda de 3.5% anual, tiene un sistema de transmisión compuesto principalmente por líneas aéreas de 400-kV y 161-kV de CA. Las líneas más antiguas fueron construidas con conductores de aluminio, conductores de acero reforzado (ACSR), pero las líneas más recientes han sido construidas con conductores de aleación de aluminio de alta conductividad y baja resistencia (AAAC). La dificultad de garantizar los derechos de paso para las nuevas líneas y las restricciones presupuestarias hace unos 15 años obligó al CEI a considerar la posibilidad de renovar las líneas existentes en lugar de construir nuevas líneas o reconstruir líneas antiguas.

Durante este período, la mayoría de las líneas de transmisión con temperaturas de funcionamiento del conductor en el rango de 60°C a 80°C se elevaron a 100°C, lo que representa un incremento de la intensidad de corriente del 70% o 40%, respectivamente. Sin embargo, la demanda de potencia ha alcanzado ya el límite de la previa elevación térmica. Por lo tanto, el IEC ha tenido que lanzar una segunda fase de mejora del conductor, en la que los conductores existentes serán reemplazados por conductores de alta temperatura y bajo pandeo (HTLS). Los nuevos conductores aumentarán efectivamente la ampacidad del circuito entre un 40% y un 50% adicional, ya que los conductores HTLS permitirán una temperatura continua del conductor de al menos 200°C.

Limitaciones de línea existentes

La condición previa de este proyecto de reconducción era evitar cambios de diseño en las estructuras de soporte existentes, aparte de las reparaciones necesarias para restaurarlas a su rendimiento original. Esta estipulación significaba que los conductores HTLS tenían que cumplir con las mismas limitaciones de carga de la estructura y de caída de alta temperatura que las estructuras de línea existentes.

La distancia libre libre al suelo en las líneas originales se utilizó cuando se realizó la primera fase de elevación del circuito a 100°C de operación. Además, se utilizaron métodos tales como modificaciones en la estructura y el hardware de suspensión. El objetivo de la segunda fase era asegurar que el hundimiento asociado con los nuevos conductores HTLS, operando a 200°C, no debería ser mayor que el de los conductores existentes, operando a 100°C.

El estándar de viento en Israel fue revisado recientemente para aumentar la carga de viento en los soportes de línea existentes. Como la mayoría de las líneas de transmisión de IEC fueron construidas antes de los requisitos de carga más altos, la utilidad no es requerida para fortalecer estas líneas. Sin embargo, las líneas se consideran sobrecargadas, por lo que no se permite una carga adicional de la estructura. Para las líneas de transmisión recientemente construidas, las estructuras tienen suficiente fuerza excedente para absorber la carga adicional.

Selección de conductores

La composición de los conductores HTLS, diseñados para una operación a 200°C, incluye un mensajero -a menudo conocido como núcleo- que consiste en acero disponible en diferentes grados de resistencia, Invar, materiales compuestos y una capa conductora de aleación de aluminio-circonio resistente al calor o aluminio recocido tipo A1 (1350 H-0 aluminio). Después de los cálculos termomecánicos preliminares, IEC seleccionó un conductor de aluminio soportado en acero (ACSS) que no sólo cumplía con los criterios requeridos, sino que además tenía el costo más bajo de cualquiera de los diseños alternativos de conductores considerados. Además, ACSS tiene el historial de servicio más largo y un historial de servicio confiable.

El recubrimiento de acero Galfan (cinc 5% de aleación de aluminio-mischmetal) es adecuado para el funcionamiento a altas temperaturas en la mayoría de los casos, mientras que el acero revestido de aluminio se especifica para ambientes extremadamente corrosivos. Se evaluaron los diseños de conductores compactos de alambre trapezoidal (TW), pero los conductores TW equivalentes al diámetro son más pesados y podrían sobrecargar las estructuras. Los conductores TW tienen una menor superficie de disipación térmica y, por consiguiente, una menor ampacidad. Por lo tanto, IEC finalmente seleccionó un conductor HTLS con construcción convencional de cable redondo.

Inicialmente, parece que el conductor de núcleo de acero carece de la ventaja de la elongación térmica extremadamente baja que ofrecen los núcleos de Invar o compuestos. Sin embargo, el mínimo contenido de acero reduce el peso del conductor, lo que permite una mayor relación tensión-peso y, consecuentemente, un menor hundimiento inicial dentro de las limitaciones de tensión máxima de la estructura. La vibración eólica no es una preocupación debido a las buenas características de amortiguación de ACSS. Alternativamente, la alta elasticidad del fino núcleo de acero compensa, en gran medida, la elongación térmica.

Conductor pretensado

El paso final requerido para resolver el problema de caída fue el pretensado del conductor ACSS. El tensado del conductor a valores por encima de su tensión máxima esperada, antes de su caída, transfiere la carga del aluminio al núcleo de acero, minimizando la extensión térmica del conductor y maximizando la elasticidad. Además, esto previene el deslizamiento y mejora la amortiguación. Hay tres ventajas principales del pretensado del conductor:

•  No se necesitan amortiguadores de vibraciones.
• Las pequeñas jaulas de pájaros que aparecen principalmente cerca de accesorios de compresión se corrigen durante el pretensado y no requieren atención especial.
• El hundimiento final es visible y medible, no calculado.

Se hizo una comparación entre el ACSR original de 300/50-mm² (0.465/0.0775 in²) después del período de fluencia y el nuevo ACSR de 636-kcmil (322.2/31.5-mm²)[0].499/0.0488 in²] 22/7 Goldfinch/ACSS/HS AW con el mismo diámetro exterior que el ACSR y reducido (31,5 vs. 50 mm2) contenido de acero después del pretensado. Los cálculos para ACSS se hicieron utilizando el software SAG10 de Southwire. SAG10 puede modelar el pretensado y la división de tensión entre las capas de acero y aluminio. Los resultados de la comparación confirman que el hundimiento ACSS a 200°C no excede el hundimiento ACSR a 100°C. Por lo tanto, se cumplen todos los requisitos de hundimiento del diseño.

Como resultado de su menor peso, el hundimiento térmico del conductor ACSS es menor que el de un conductor ACSR, que se hunde más por la misma tensión debido a su mayor contenido de acero. Sin embargo, con su elasticidad extremadamente alta, el conductor ACSS se alarga mucho más bajo carga de viento y no desarrolla una tensión excesiva. Después de la instalación piloto del IEC, las distancias cortas se tensaron a valores inferiores a los utilizados en la comparación, ya que no se requería la distancia al suelo excedente.

Por lo tanto, IEC determinó que la elección del conductor principal para su reemplazo de conductor ACSR fue el conductor ACSS de estructura regular (no compacta), con el mismo diámetro y mínimo contenido de acero. IEC seleccionó el estándar Goldfinch/ACSS y Bobolink/ACSS para reemplazar las secciones ACSR comparables, todas ellas con un contenido de acero inferior al ACSR original.

Proyecto Piloto del IEC

Para el proyecto piloto se eligió una línea de transmisión de 161 kV de doble circuito. Tiene una longitud de 12 km (7,5 millas) y se construyó hace 40 años utilizando conductores con una temperatura máxima de funcionamiento de 60°C, que fueron posteriormente revalorizados hace 15 años con conductores con una temperatura máxima de funcionamiento de 100°C. Cada fase era un solo conductor ACSR de 300/50 mm². La vía cruza una zona industrial de alta contaminación atmosférica y se erige muy cerca del mar Mediterráneo.

IEC seleccionó un AW de 636-kcmil 22/7 Goldfinch/ACSS/HS con acero de alta resistencia revestido de aluminio para una máxima protección contra la corrosión. Esto significó un menor contenido de acero en el conductor y una mayor distancia al suelo, por lo que IEC pudo eliminar la necesidad de mejorar muchas cadenas de aislamiento de suspensión. Se seleccionó un pretensado máximo del conductor de 3.000 kgf, que es mayor que la tensión máxima con viento (2.700 kgf), resultando en una tensión cero del aluminio a temperaturas por encima de 30°C a 40°C.

El conductor fue suministrado por Southwire y los accesorios de alta temperatura fueron fabricados por ACA. Ambas compañías capacitaron e instruyeron a los equipos de IEC en la instalación del conductor en el lugar de entrenamiento de los tenderos de la compañía eléctrica.

Los procedimientos de instalación para encadenar los conductores HTLS ACSS no son tan diferentes de los conductores ACSR encordados, pero se observaron algunas observaciones específicas:

•  IEC midió la variación de tensión durante el proceso de pretensado, y se encontró que la disminución de tensión se niveló después de 15 minutos, por lo que el tiempo de pretensado se redefinió a 20 minutos.
• En todas las etapas posteriores al pretensado, la tensión del conductor no debe ser inferior a la tensión final (agotada); de lo contrario, el efecto mecánico del pretensado puede perderse parcialmente.
• Se encontró que el calcetín de tracción no aseguró el núcleo de acero del conductor del Goldfinch para que no se deslizara dentro del aluminio. Por lo tanto, se utilizó un tapón debajo del calcetín de tracción, que consistía en una arandela y un manguito, comprimidos en el núcleo.
• Se encontró que la empuñadura de tracción aplastaba el aluminio en tensiones de conductores de aproximadamente 1.700 kgf, por lo que IEC decidió utilizar una empuñadura doble entre 1.500 kgf y 3.000 kgf. La configuración de doble agarre consiste en dos garras de tracción unidas entre sí mediante una polea, por lo que la fuerza de tracción se distribuye de forma uniforme.

La línea de transmisión del proyecto piloto está muy cargada, y IEC se vio forzada a trabajar en un circuito con el circuito adyacente energizado, y a veces incluso entre dos circuitos energizados. En los grandes ángulos de las líneas, una separación eléctrica insuficiente resultó ser un problema. El ángulo no es crítico en el extremo de tracción, pero puede ser problemático en las primeras estructuras y en las estructuras angulares.

El ACSS requiere bloques de encordado más grandes en los ángulos que el ACSR normal. Sin embargo, los bloques estándar de este tamaño son pesados, y la IEC no estaba segura de que ACSS pudiera soportar este peso sin dañar el aluminio. Por lo tanto, se utilizó un bloque de encordado ligero en estos ángulos. El bloque fue desarrollado originalmente para el cable óptico de tierra, que también es más sensible que los conductores normales. Es tres veces más ligero que un bloque estándar del mismo diámetro y, además, su centro de gravedad es mucho más alto. Más de estos bloques, utilizados también en estructuras de suspensión, facilitarán la carga de trabajo de los trabajadores de línea.

Los beneficios

La reconducción de las líneas de transmisión con un conductor HTLS aumenta la ampacidad de la línea en un 50% en comparación con la capacidad disponible de un circuito con un conductor ACSR que tiene una temperatura máxima de funcionamiento de 100°C.

Los conductores ACSS de diseño estándar son adecuados para las condiciones climáticas de Israel. Las características de no acumular hielo en los conductores, el reducido contenido de acero, el bajo peso y la alta elasticidad resolvieron el problema del hundimiento y aumentaron la distancia al suelo en algunos casos. Todos estos beneficios se lograron sin aumentar la carga sobre las torres de suspensión y tensión de acero.

El pretensado del ACSS antes de la caída es efectivo para reducir la caída final. Este pretensado debe exceder la tensión máxima esperada del conductor, y la deformación plástica del aluminio debe asegurar que, dentro de la mayor parte del rango de temperaturas de operación, sólo el núcleo de acero está soportando la tensión de la línea.

Aparte de la necesidad de utilizar algunas herramientas y accesorios especiales, el proceso de reconducción que utiliza los conductores ACSS HTLS no es muy diferente de las líneas de encadenamiento con conductores ACSR.
Fuente: tdworld.com