Autor de este artículo: INMR
En esta contribución anterior editada al INMR, Stephen Bell de K-Line Insulators en Canadá informó sobre la aplicación de espaciadores de interfase en una línea aérea de 400 kV construida para transmitir energía a partir de una mayor generación de energías renovables. La línea, que va desde la subestación Beauly hasta la subestación Denny North en Escocia, sigue una ruta similar a una línea de 132 kV existente y atraviesa unos 220 km de terreno montañoso expuesto a fuertes vientos con acumulaciones de nieve húmeda en los conductores durante la congelación de entre 75 y 100 mm de diámetro.
Ya se habían instalado espaciadores de interfase de tipo compuesto en la línea de 132 kV para mitigar el galope en estas condiciones climáticas severas. Se tomó la decisión de instalar también espaciadores de interfase similares en los conductores de fase de dos haces de la nueva línea de 400 kV para garantizar la confiabilidad de este enlace clave en los sistemas de red de Scottish and Southern Energy (SSE).
Conductor galopando bajo el viento, el hielo y la nieve
El galope es una oscilación de gran amplitud y baja frecuencia inducida por el viento en las líneas aéreas. En la mayoría de los casos, hay una acumulación de hielo en el conductor que modifica su forma normal de sección transversal de modo que se vuelve aerodinámicamente inestable. Las amplitudes son principalmente verticales y suelen oscilar entre +0,1 y 1,0 veces la flecha del tramo, mientras que las frecuencias suelen oscilar entre 0,15 y 1,0 Hz. El viento impulsor puede variar entre 8 y 72 km/h (5 y 45 mph) en un ángulo de 10 a 90 grados con respecto a la línea y puede ser inestable en velocidad o dirección.
Los tipos de hielo y nieve que pueden acumularse en los conductores aéreos son hielo en escarcha, hielo glaseado, escarcha, nieve seca y nieve húmeda (véase la figura 3). El hielo en escarcha es la formación de hielo en las nubes, donde las gotas superenfriadas impactan y luego se congelan sobre un sustrato. El hielo glaseado puede precipitarse o formarse en las nubes cuando el tiempo de congelación de las gotas es lo suficientemente largo como para permitir que se forme una película de agua sobre la superficie que se acumula. La acumulación de nieve húmeda se observa cuando la temperatura del aire está entre 0 °C y 3 °C y puede ocurrir con cualquier velocidad del viento. Las diversas formas posibles de acumulación de hielo en los conductores galopantes se informaron en una encuesta anterior de servicios públicos canadienses (véase la figura 4).
El hielo glaseado acumulado en conductores aéreos se considera con más frecuencia en los estudios de análisis y pruebas de galope que otros tipos de acumulación. Las capas delgadas de hielo glaseado en un conductor tienen una forma redondeada (ver Figura 5).
Las secciones elevadas de la ruta Beauly-Denny, donde en el pasado se produjeron galopes en la línea de 132 kV preexistente, han experimentado acumulaciones de nieve húmeda y escarcha. La escarcha no crea una forma de conductor susceptible a galopes. Sin embargo, la nieve húmeda impulsada por el viento acumulada en los lados barloventos de los conductores forma un depósito duro y tenaz con un borde de ataque afilado (ver Figura 6) que es altamente inestable aerodinámicamente. Los conductores agrupados son especialmente susceptibles en este sentido, ya que su alta resistencia a la torsión evita que el peso de la nieve acumulada tuerza el conductor para reducir la concentración de la acumulación en el borde de ataque afilado. La forma del hielo del conductor y la acumulación de nieve afectan así el movimiento de galope del conductor.
Predicción del movimiento del conductor al galope
El conocimiento sobre el movimiento de los conductores galopantes proviene principalmente de la observación de campo y se han desarrollado pautas para observar y registrar eventos de galope. Estas incluyen un formato de informe, así como instrucciones para la grabación con cámara y video. El trazado del movimiento registrado por múltiples fotografías de conductores galopantes con hielo glaseado muestra principalmente un movimiento vertical (ver Figura 7). Una envoltura (galopante) alrededor de los puntos registrados tiene una forma elíptica (ver Figura 8).
Se pueden calcular elipses de Lissajous para conductores con hielo glaseado en áreas relativamente planas y abiertas (ver Figura 9).
En este caso, en lugar de cálculos y amplitudes de galope de pico a pico predichas de 10 m para la nueva línea, se utilizaron observaciones de campo del galope de los conductores cubiertos de hielo glaseado (ver Figura 10).
La envolvente galopante también se modificó para que sea circular. Los estudios en túneles de viento sobre conductores con acumulaciones de hielo glaseado en comparación con acumulaciones de nieve húmeda han demostrado que el perfil de nieve húmeda es más inestable aerodinámicamente y que se transfiere más energía eólica al conductor. Además, la galopetería en nieve húmeda se produce en una gama más amplia de condiciones de viento. Por ejemplo, los estudios de galopetería en conductores agrupados con nieve húmeda en Japón mostraron un gran movimiento horizontal (ver Figura 11) y soporte utilizando una envolvente galopante circular de este tipo.
Las envolventes circulares galopantes de nieve húmeda para la nueva línea de 400 kV se superpondrían si no se utilizaran espaciadores de interfase (véase la figura 12). Además, el movimiento horizontal con nieve húmeda solo aumentaría esta superposición.
La separación de envolvente galopante requerida se basa en el voltaje hasta la descarga disruptiva entre fases o entre fase y tierra (ver Figura 13).
La separación de envolvente para evitar descargas disruptivas a 400 kV se interpola en 1,3 m de fase a fase y 0,9 m de fase a tierra.
Efectos potenciales del galope del conductor
El movimiento de los conductores, como por ejemplo al galopar, puede provocar:
- contacto entre conductores de fase o entre conductores de fase y cables de tierra aéreos, lo que provoca cortes de electricidad y quemaduras de los conductores;
- Fallo del conductor en el punto de apoyo debido al esfuerzo violento producido por el galope;
- posibles daños estructurales; y
- Flecha excesiva debido a sobrecarga de los conductores.
Las cargas verticales galopantes sobre estructuras de suspensión pueden ser el doble de las cargas verticales estáticas de los conductores cubiertos de hielo, mientras que las cargas horizontales galopantes sobre estructuras y conductores sin salida pueden ser el doble de las cargas de tensión estáticas relacionadas con el hielo. Por lo tanto, en condiciones de galopante se deben tener en cuenta las resistencias a la fatiga de la estructura y del conductor, no la resistencia estática. La aplicación de espaciadores de interfase reduciría las cargas dinámicas en proporción al cuadrado de la amplitud del movimiento.
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Mitigación del galope del conductor
Se determinó que el uso de espaciadores de interfase era la solución más rentable para reducir la amplitud galopante. Por ejemplo, acortar los tramos reduciría la amplitud, pero en algunos casos la longitud prevista del tramo necesitaría acortarse en un 50%, lo que requeriría una torre adicional. También se analizó la opción de aumentar el espaciado vertical de las fases. Sin embargo, los estudios sobre la tensión del conductor frente a la amplitud galopante indicaron que los cambios de tensión no reducirían adecuadamente la amplitud galopante en el caso de esta nueva línea.
La eficacia de la aplicación de espaciadores de interfase también ha sido confirmada no sólo por la experiencia con la línea de transmisión Beauly-Denny de 132 kV preexistente, sino también por los resultados de un estudio internacional sobre espaciadores de interfase realizado por CIGRE.
Las observaciones de campo documentadas también han confirmado que el movimiento galopante se reduce si se instalan espaciadores de interfase (ver Figura 15). Estos datos se utilizaron para predecir una disminución del 50% en la amplitud galopante con la aplicación de espaciadores de interfase en los conductores de fase de la nueva línea de 400 kV. Las envolventes galopantes circulares reducidas proporcionaron la separación necesaria entre estas envolventes para evitar descargas disruptivas entre los conductores de fase (ver Figura 16).
Consideraciones de alcance para conductores galopantes
Se utilizarían espaciadores de interfase para los tramos de suspensión y de extremo muerto en la nueva línea. El galope en los tramos de suspensión puede acoplarse a los tramos adyacentes a medida que oscilan los aisladores de suspensión, mientras que los tramos de extremo muerto en la nueva línea no se acoplarían a los tramos adyacentes. La ubicación de la amplitud máxima de galope varía con la longitud del tramo para las formas comunes del modo de galope (consulte la Figura 17).
Las pruebas de campo de haces de conductores en Japón demostraron que el galope en tramos sin salida es a menudo un modo de oscilación de dos bucles. Además, los haces tienen grandes amplitudes de galope cuando la torsión y las oscilaciones verticales están en fase.
Se utilizaron cuatro espaciadores de interfase por tramo (ver Figura 18) en la nueva línea para mantener el espaciado requerido entre conductores durante el galope de modo mixto observado en el campo, con las fases superior e inferior con galope de bucle único y la fase intermedia con galope de dos bucles (ver Figura 19).
Diseño de espaciador de interfase
Los espaciadores de interfase para la nueva línea se diseñaron con juntas articuladas para un espaciamiento de los conductores de fase que varía de 8,5 a 10 m. Los diseños con bisagras se han utilizado durante años para espaciadores de interfase largos para evitar una flexión excesiva del aislador (consulte la Figura 20). Los espaciadores de interfase no necesitan resistir el movimiento conjunto de los conductores. En cambio, sirven para reducir la amplitud máxima de galope en el tramo al evitar que los conductores de fase se separen en los lugares donde están instalados.
El aislante compuesto utilizado para estos espaciadores de interfase (ver Fig. 21) es liviano, no frágil y tiene una resistencia mecánica de 120 kN (SML). Además, su carcasa de caucho de silicona presenta una excelente hidrofobicidad, lo que lo hace adecuado incluso en entornos con alta contaminación. Además, para garantizar la confiabilidad de esta importante línea, los accesorios de extremo de acero forjado galvanizado cumplen con la norma Charpy para cargas de impacto a bajas temperaturas.
Las características eléctricas de los espaciadores de interfase se basan en la tensión de línea o fase a fase y, en este caso, están equipados con anillos de corona en ambos extremos. La BIL del espaciador de interfase es 1,2 veces la BIL del sistema. Se utilizan correas de unión flexibles en las conexiones del espaciador de dos haces y también en las ubicaciones de las bisagras, ya que el espaciador de interfase se comprime y se extiende alternativamente con el movimiento del conductor. Además, se utilizan insertos de goma semiconductores en los espaciadores de dos haces para los conductores gemelos ‘Araurcaria’ de 37,26 mm de diámetro.
Validación del diseño de espaciadores de interfase de línea de 400 kV
Las pruebas eléctricas de estos espaciadores de interfase incluyeron impulso de rayo seco (Fig. 22), impulso de conmutación húmedo (Fig. 23), así como pruebas de ruido RIV y extinción de corona (Fig. 24), de acuerdo con las normas CSA e IEC. Cuando correspondía, el espaciador se instalaba durante estas pruebas. También se probó el espaciador de 2 haces, siguiendo la norma IEC 61854 y las especificaciones del usuario. La evaluación del rendimiento también incluyó el deslizamiento longitudinal del conductor en la abrazadera y la indentación de los hilos conductores externos cuando se apretaba la abrazadera. También se midió la resistencia eléctrica de los insertos de goma utilizados en la abrazadera para garantizar que fueran semiconductores.
Instalación del espaciador de interfase
Se desarrolló un embalaje adecuado para soportar y proteger los espaciadores de interfase durante el transporte. La limpieza, la manipulación y el embalaje de los aisladores compuestos se tratan en la norma IEEE 987, una Guía para la aplicación de aisladores compuestos de alto voltaje para líneas eléctricas aéreas. Los espaciadores de interfase se pueden instalar con líneas desenergizadas o utilizando varios métodos de trabajo en línea activa (Fig. 25).
Otras aplicaciones de espaciadores de interfase
Los espaciadores de interfase se utilizan en líneas de distribución, así como en líneas de transmisión de conductores individuales o en haces. Su función es reducir el movimiento del conductor durante el galope vertical o la oscilación horizontal inducida por el viento o cuando cae nieve de un conductor inferior de manera que sube rápidamente hacia el conductor superior. El movimiento reducido del conductor permite reducir el espaciado entre fases, lo que reduce la altura de la estructura y el ancho de vía requerido. Los espaciadores de interfase incluso se pueden ofrecer con tensores para permitir el ajuste de la longitud para variar el espaciado entre fases.
Resumen
La experiencia con la línea de transmisión de 132 kV preexistente ha demostrado que la nieve húmeda probablemente también se acumularía en los haces de conductores de la nueva línea de transmisión Beauly-Denny de 400 kV. Combinado con vientos fuertes, esto causaría inevitablemente galopeteo. Se utilizaron envolventes de galopeteo circulares para modelar la acumulación de nieve húmeda. Los espaciadores de interfase de aisladores compuestos diseñados para este proyecto sirven para mantener la separación necesaria entre los conductores de fase durante los eventos de galopeteo.
Referencias
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