TABLA DE CONTENIDO GUÍA DE DISEÑO
1. DIAGRAMA DE FLUJO PARA EL DISEÑO DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN………. 2
2. SELECCIÓN DE LA RUTA………...…….... 6
3. DATOS DE ENTRADA PARA LA HOJA DE FLECHAS Y TENSIONES…... 8 4. DATOS DE ENTRADA PARA LA HOJA DE ÁRBOLES DE CARGA Y REACCIONE REACCIONES……… 9
5. DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS METEOROLÓGICOS……… 11
6. SELECCIÓN DEL CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA ………... 12 7. SELECCIÓN DEL CONJUNTO ESTRUCTURAL ESTÁNDAR ……...…… 13 8. CÁLCULO DE LAS FLECHAS Y TENSIONES…… ………..………… 13 9. DETERMINACIÓN DE CARGAS EN EL SISTEMA ……….. 16 10. CÁLCULO DE ÁRBOLES DE CARGA EN LAS ESTRUCTURAS ………. 18 11. ESTIMACIÓN DEL PESO DE LA ESTRUCTURAS……….. 21 12. CÁLCULO DE REACCIONES EN LA BASE……….. 22 NOTA FINAL………...………. 23
APLICACIÓN DE LA PROPUESTA DE MANUAL DE ANÁLISIS Y DISEÑO CIVIL LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE MEDIA Y ALTA TENSIÓN EN COLOMBIA
Con la intención de realizar un aporte al diseñador, a continuación se presenta un ejemplo práctico con el cual se explica el uso de las hojas de cálculo de la guía propuesta una vez planteados los lineamientos teóricos y normativos en el marco teórico, motivando al lector de manera constante a consultar el mismo durante el proceso de diseño:
1. DIAGRAMA DE FLUJO PARA EL DISEÑO DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN
A continuación se da claridad al diagrama de flujo presentado en el capítulo DIAGRAMA DE FLUJO PARA EL DISEÑO DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA, haciendo seguimiento a cada paso para así identificar el tipo de proyecto de transmisión que se va a plantear:
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1- ¿PROYECTO DE TRANSMISIÓN EXISTENTE?
Dado que nuestro proyecto no existe y es un caso didáctico, vamos a suponer la conexión de dos subestaciones que se encuentren dentro del mapa de la UPME el cual puede ser consultado en el capítulo ANTECEDENTES.
Se identificó la posibilidad conectar dos subestaciones pertenecientes al sistema interconectado de la UPME entre los departamentos de Córdoba y Sucre, dado que dichas subestaciones se encuentran energizadas a 230kV según la información encontrada, se asume que este será el voltaje de la Línea.
2- BÚSQUEDA DE INFORMACIÓN PRELIMINAR
Definimos para nuestro proyecto un voltaje de 230kV, por lo cual usaremos las estructuras diseñadas en el libro de normalización de estructuras metálicas para líneas de transmisión a 230 kV Doble Circuito. Primera edición, 1989 de ISA Interconexión Eléctrica S.A, las cuales pueden ser consultadas en el ANEXO 1. INFORMACIÓN DE REFERENCIA NORMALIZACIÓN DE ESTRUCTURAS METÁLICAS PARA LÍNEAS DE TRANSMISIÓN A 230KV DOBLE CIRCUITO, adicional esto es necesario la recolección de zonas especiales de conservación o similares, para esta consulta se descargó la información de restricciones ambientales encontradas en la normativa descrita en el capítulo SELECCIÓN DE RUTA Y DISTANCIAS DE SEGURIDAD.
3- ZONAS DE RESTRICCIÓN
Suponiendo que el proyecto a diseñar contara con condiciones reales, el trazo de las alternativas de ruta se vería considerablemente condicionado por las restricciones ambientales que puedan presentarse, convirtiéndose este en un ítem representativo para el diseño.
4- SELECCIÓN RUTA OPTIMA
Una vez se cuente con distintas alternativas que permitan conectar las subestaciones, se debe elegir la más económica, de mejor acceso o con mejores condiciones sociales. Para nuestro caso particular bastara con realizar el trazo de una ruta que se aleje lo suficiente de las construcciones y no interfiera el tránsito de vías.
5- GESTIÓN PREDIAL
Suponiendo que el proyecto a diseñar fuera real, una vez se cuente con la mejor alternativa de ruta se debe proceder a realizar las gestiones prediales que tengan lugar para desarrollar el proyecto de manera óptima.
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6- PARÁMETROS METEOROLÓGICOS
Una vez se cuente con el área de afectación del proyecto se debe proceder a identificar los parámetros meteorológicos que intervienen en el diseño según lo expuesto en el capítulo PARÁMETROS METEOROLÓGICOS, para ello se debe tomar información de estaciones climatológicas. En nuestro caso bastara con cotejar parámetros contenidos en mapas de isotermas y velocidad de vientos del IDEAM.
7- DETERMINACIÓN DE CARGAS
La determinación de cargas en el proyecto de transmisión es de fundamental aplicación para el diseño de todos los componentes de la línea, para ello es necesario como parámetros de entrada las medidas climatológicas identificadas y las características físico mecánicas de los cables, obtenidas de catálogos de fabricantes para nuestro caso particular. Las cargas se calculan de acuerdo a la filosofía de diseño expuesta en el capítulo CÁLCULO DE CARGAS EN LAS ESTRUCTURAS.
8- USO DE TORRES EXISTENTES
Dado que el diseño de torres de transmisión requiere de experiencia por el impacto de los proyectos que constituyen, el uso de estructuras existentes de base es típicamente usado por los diseñadores, sin embargo los diseños son ajustados posterior a las determinaciones iniciales para optimizar el uso de las torres. En nuestro caso haremos uso de estructuras existentes y determinaremos un peso
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aproximado que optimice las mismas de acuerdo a las cargas de nuestro ejercicio según lo expuesto en el capítulo ESTIMACIÓN DEL PESO DE LAS ESTRUCTURAS.
9- ESTRUCTURAS MAS LIVIANAS A LAS DE REFERENCIA
Si las cargas del proyecto de transmisión que se está diseñando son menores a las utilizadas en las estructuras de referencia, entonces esto quiere decir que al rediseñar las estructuras se supondrán con un menor peso, adicionalmente y dado que las cargas son menores, se puede avalar el uso del mismo diseño de torres.
10- ESTRUCTURAS MAS PESADAS A LAS DE REFERENCIA
Caso contrario al anterior, al suceder que las cargas del proyecto diseñado superen las utilizadas en las estructuras de referencia, entonces no será posible la utilización de dichas estructuras y su rediseño será necesario para dar continuidad al proyecto.
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11- DISEÑO DE FAMILIA DE ESTRUCTURAS
Una vez se hayan determinado las cargas en el sistema es necesario diseñar las estructuras que van a soportar las mismas, para ello se debe tener en cuenta las normativas expuestas en el capítulo NORMAS INTERNACIONALES APLICABLES AL DISEÑO DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA. En nuestro ejercicio no diseñaremos la estructura, sin embargo e realizar una suposición de peso de la misma según lo expuesto en el capitulo ESTIMACIÓN DEL PESO DE LAS ESTRUCTURAS.
12- EXPLORACIÓN DE RUTA Y REPLANTEOS
La exploración de la ruta y replanteo de estructuras es necesario para identificar las condiciones con que se contara en campo al momento de la construcción de las torres, de igual forma será relevante la identificación de parámetros geotécnicos y topográficos de referencia.
13- CÁLCULO DE REACCIONES Y CIMENTACIONES
Finalizando el cálculo inicial y el alcance de la presente guía de diseño, se deben determinar las reacciones en la base requeridas para que la estructura soporte las cargas impuestas, para ello se deberá tener en cuenta la acción de las mismas en cada fase, así como la geometría de la estructura.
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2. SELECCIÓN DE LA RUTA
Para este ejercicio se seleccionó una zona con terreno homogéneo, con pocas fluctuaciones topográficas procurando así mantener unos criterios de diseño generales para toda la línea, se identificó la posibilidad conectar dos subestaciones pertenecientes al sistema interconectado de la UPME entre los departamentos de Córdoba y Sucre, dado que dichas subestaciones se encuentran energizadas a 230kV según la información encontrada, se asume que este será el voltaje de la Línea.
Según el Artículo 22.2 del RETIE, la zona de servidumbre para líneas de 230 kV (2 circuitos) debe tener un ancho mínimo de 32 metros, 16 metros a lado y lado del eje de la línea de transmisión.
Los criterios tenidos en cuenta para la selección de ruta, así como las distancias de seguridad se basan en lo expuesto en el capítulo 3.1 SELECCIÓN DE RUTA Y DISTANCIAS DE SEGURIDAD, a continuación se muestran los valores tomados para las distancias de seguridad dado el voltaje de la línea:
Distancias de seguridad vertical para LT 230 kV (Tabla 13.2 RETIE)
Descripción Dist. (m)
Distancia al suelo, bosques, arbustos, áreas cultivadas, pastos, huertos, etc. Siempre que se tenga el control de la altura máxima que pueden alcanzar las copas de los arbustos o huertos, localizados en la zonas de servidumbre.
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Cruces con carreteras, calles, callejones, zonas peatonales, aéreas
sujetas a tráfico vehicular. 8.5
Bosques y huertos donde se dificulte controlar la altura de los mismos, uso de maquinaria agrícola de gran altura o en cruces de ferrocarriles sin electrificar.
9.3
Ríos, canales Navegables o flotantes adecuados para embarcaciones
con altura superior a 2 m y menor de 7 m. 11.3
Ríos, canales Navegables o flotantes no adecuados para
embarcaciones con altura mayor a 2 m. 6.3
Distancias de seguridad en cruces con otras líneas de transmisión
Descripción Dist. (m) Líneas eléctricas a 500 kV 7.1 Líneas eléctricas a 230 kV 3.6 Líneas eléctricas a 115 kV 2.9 Líneas eléctricas de 66 kV 2.6 Líneas eléctricas de 0 a 44 kV 2.4
3. PRESENTACIÓN DE LIBRO DE CÁLCULO PROPUESTAS PARA LA GUÍA DE DISEÑO
La presente guía detalla es el complemento de dos libros de Excel los cuales contienen hojas de cálculo detallado que permiten identificar adecuadamente las cargas consideradas en la torre de energía:
4. DATOS DE ENTRADA PARA LA HOJA DE FLECHAS Y TENSIONES
Una vez determinadas las condiciones limitantes de nuestro diseño, debemos identificar los parámetros necesarios para llevar a cabo las respectivas deducciones: como podrá evidenciarse a lo largo del presente anexo, al igual que en las hojas de cálculo a la que hace referencia, los datos de entrada para cada hoja se marcan en color azul y fondo amarillo claro, el resto de las celdas se encuentra programadas adecuadamente:
Valores extraídos de Mapas de Isotermas y velocidades de viento.
5. DATOS DE ENTRADA PARA LA HOJA DE ÁRBOLES DE CARGA Y REACCIONES
Para en uso de esta hoja es necesario el ingreso de los mismos parámetros meteorológicos y de referencia a los cables utilizados, adicionalmente a esto se deben incluir datos referentes a las estructuras, a continuación se especifica el origen de los datos diligenciados:
Valores extraídos de Catálogos de Fabricante.
Los puntos definen que uso queremos dar a cada torre y los escogemos de acuerdo a la necesidad del proyecto.
Consiste en la suma de cargas representadas en los árboles de la estructura de referencia (VER ANEXO 1).
Consiste en los pesos de referencia de cada estructura tomada de base (VER ANEXO 1).
6. DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS METEOROLÓGICOS
Se debe seleccionar estaciones climatológicas totales para las lecturas de temperaturas en el área de afectación; dado que algunas de estas estaciones no registran datos completos de viento, es necesario corroborar la información obtenida con el mapa de vientos contenido en la NSR-10. Una vez se cuenta con los datos de las estaciones climatológicas es necesario realizar una distribución
Al igual que los datos anteriores, estos dependen de cada estructura tomada de base (VER ANEXO 1).
normal de Gumbel, para determinar el dato deseado con un periodo de retorno adecuado.
7. SELECCIÓN DEL CONDUCTOR Y CABLE DE GUARDA
Para realizar la selección del conductor de fase de la línea así como los cables de guarda se debe tener en cuenta diferentes parámetros eléctricos que no corresponden al alcance de este proyecto, por tal razón se ha tomado como referencia características mercancías correspondientes a catálogos de fabricantes con amplia experiencia en el mercado como lo son CENTELSA Y PROCABLES, para el presente ejercicio se tienen los siguientes cables:
8. SELECCIÓN DEL CONJUNTO ESTRUCTURAL ESTÁNDAR
El conjunto de estructuras que será utilizado en el presente planteamiento corresponde a las estructuras normalizadas para doble circuito a 230kV de ISA, la información referida a dichas estructuras puede ser consultada en el ANEXO 1 INFORMACIÓN DE REFERENCIA ESTRUCTURAS NORMALIZACIÓN DE ESTRUCTURAS METÁLICAS PARA LÍNEAS DE TRANSMISIÓN A 230 KV DOBLE CIRCUITO, el grupo de estructuras se compone de la siguiente manera:
Tipo Utilización A Suspensiones livianas AA Suspensiones pesadas B Retenciones livianas C Retenciones intermedias D Retenciones fuertes
9. CÁLCULO DE LAS FLECHAS Y TENSIONES
Con la teoría explicada en el capítulo 3.4 CÁLCULOS ELECTROMECÁNICOS EN PROYECTOS DE TRANSMISIÓN, se calculan las flechas y tensiones para el conductor y cable de guarda para vanos reguladores seleccionados para el análisis de las diferentes hipótesis; en este proceso se hace uso de la ecuación de cambio de estado.
Se debe ingresar en el programa de <<FLECHAS.xlsx>> en la pestaña [Datos] la información referente a los parámetros meteorológicos determinados:
Una vez se cuente con los parámetros meteorólogos es necesario identificar las características fisicomecácnicas del cable que se va a analizar, de igual forma la altura de fijación del cable la cual varía entre el cable conductor y el de guarda dada la altura en que es ubicado cada uno en la estructura:
De acuerdo a la categoría de exposición, se definen las constantes usadas para calcular los factores de corrección.
Seguidamente, se pueden identificar los diferentes casos de tensionado definidos en el capítulo 3.4.2 CRITERIOS PARA EL CÁLCULO DE FLECHAS Y TENSIONES EN CABLES, el lenguaje de programación definido para la hoja contempla estos valores como constantes y solo se actualiza el valor de la tensión en función de las propiedades mecánicas, este puede ser consultado en el ANEXO 3. LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN PARA LIBRO DE FLECHAS Y TENSIONES EN CABLES.
Los valores de tensión son resumidos en la pestaña [FyT] e interpretados a través de una gráfica que permite identificar la tensión correspondiente a cada vano:
Cada condición de tensión se comporta de manera diferente como puede evidenciarse en la grafica A partir de un vano determinado las
tensiones se comportan de manera constante.
Los valores de tensión para vanos múltiplos de 100 son llevados al libro <<ÁRBOLES_DE_CARGA.xlsx>>
10. DETERMINACIÓN DE CARGAS EN EL SISTEMA
Para la determinación de cargas en el sistema se debe considerar las transversales originadas por el cambio de dirección de la línea y el impacto del viento en los cables; la longitudinal originada en el desbalance de tensiones y las cargas verticales originadas por el peso propio del cable y sus accesorios.
Se debe ingresar en el programa de <<ÁRBOLES_DE_CARGA.xlsx>> y en la pestaña [Datos] debe ingresarse la información obtenida de tensionado para los cables del sistema:
Se pasa a la pestaña [CÁLCULOS], allí debe ingresarse la información referente a los parámetros meteorológicos así como las características mecánicas de los cables y distancias de referencia para el cálculo:
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Solamente debe ingresarse los datos en el recuadro indicado para cada cable.
De acuerdo a la categoría de exposición los factores de corrección varían y por ende el cálculo de cargas. Se debe usar los mismos parámetros meteorológicos utilizados en el programa <<FLECHAS.xlsx>>
Estos valores son puestos según medidas encontradas en catálogos sin embargo pueden ser modificadas según la necesidad del proyecto. Las estructuras que se tomaran como referencia corresponden al libro de
normalización de estructuras de ISA, y la altura de referencia será la mayor de todo el juego de torres.
Los factores de corrección mostrados se aplican en el cálculo de las fuerzas, pueden ser consultados ampliamente en el capítulo 3.6.1 CARGA
Los puntos de diseño de las diferentes estructuras, se obtienen basados en proyectos existentes, que pudieran servir de guía para realizar una propuesta acertada.
11. CÁLCULO DE ÁRBOLES DE CARGA EN LAS ESTRUCTURAS
Los árboles de carga representan la acción de las fuerzas determinadas en cada fase y cables de guarda, esta diferentes cargas a las que se verán sometidas las estructuras, en condiciones normal y excepcional (Rotura de conductores y/o cables de guarda), que para nuestro caso se calcularán para dos sub conductores por fase y para cada una de las hipótesis de carga, en los puntos de diseño y aplicable a los vanos reguladores establecidos.
Se toman los valores de tensión registrados en la pestaña
[TENSIONES_CABLES] para el vano regulador atrás o adelante definido.
Los factores de corrección mostrados se aplican en el cálculo de las fuerzas, pueden ser consultados ampliamente en el capítulo 3.6.1 CARGA TRANSVERSAL DEBIDO AL VIENTO. Se definen los valores con los que deseamos trabajar en las torres, estos valores se toman basados en proyectos existentes o de acuerdo a la necesidad del proyecto.
Capítulo 3.6.1 CARGA TRANSVERSAL DEBIDO AL VIENTO.
Capítulo 3.6.2 CARGA TRANSVERSAL DE VIENTO OBLICUO A 45°. Capítulo 3.6.3 CARGA TRANSVERSAL DEBIDO AL ÁNGULO DE DEFLEXIÓN.
Para la carga vertical se considera la suposición de vano peso negativo y positivo de acuerdo a lo mostrado en los capítulos 3.4.2 VANO PESO y 3.6.5 CARGA VERTICAL. Capítulo 3.6.4 CARGA LONGITUDINAL DEBIDA AL ÁNGULO DE
DEFLEXIÓN.
Para el cálculo de cargas en los otros cables se toman las propiedades de cables y altura de aplicación correspondiente, por lo demás el cálculo es igual al presentado en los capítulos referidos.
Los porcentajes de carga tomados para los cables rotos se pueden consultar en los capítulos 3.5.1.1 HIPÓTESIS DE CARGA PARA ESTRUCTURAS DE SUSPENSIÓN y 3.5.1.1 HIPÓTESIS DE CARGA PARA ESTRUCTURAS DE SUSPENSIÓN
Los factores definidos en el capítulo 3.7 FACTORES DE SEGURIDAD, se aplican para ambas hipótesis.
Los valores de cargas mayoradas son representadas para cada condición planteada en las hipótesis de carga.
12. ESTIMACIÓN DEL PESO DE LA ESTRUCTURAS
Una vez se cuente con la información referente a la geometría y caras de diseño de las estructuras tomadas de base, se calculan las constantes de calibración contenidas en el capítulo 3.9.1 FÓRMULA BPA que se usaran para recalcular los pesos estimados en base a los árboles de carga con los que se cuente actualmente.
La sumatoria de fuerzas en la torre corresponde a las cargas de la hipótesis normal en todas las fases, por otro lado los pesos corresponde a lo mostrado en el anexo tal
en donde se muestran las estructuras referenciadas
Valores tomados de la silueta de la torre
Los valores de cargas y factores de seguridad son tomados de la condición normal de la pestaña [CÁLCULOS].
Las fuerzas son computadas de tal manera que se tome la sumatoria en condición normal para todas las fases.
El cálculo del peso de la estructura se realiza según la metodología del BPA descrita en el 3.9 ESTIMACIÓN DEL PESO DE LAS ESTRUCTURAS
13. CÁLCULO DE REACCIONES EN LA BASE
Una vez se cuente con los árboles de carga definidos para cada estructura es necesario identificar la acción de estas cargas respecto a la base la misma, toda vez que las fuerzas trasversales y longitudinales aplicadas generan un desbalance en los apoyos según como se describió en el capítulo 3.10 CÁLCULO DE REACCIONES, de tal manera que la mitad de estos trabajan en arrancamiento o tensión y los otros dos en condición de volteo o compresión.
Una vez establecido esto es necesario calcular el momento generado por cada una de las cargas en función de la altura de la fase o de fijación para identificar la reacción que cada apoyo requiere para contrarrestar dicha acción.
Se debe ingresar a la pestaña [REACCIONES_T()], y diligenciar los datos correspondientes a la geometría de la estructura, dado que el libro se encuentra anidado entre pestañas, no es necesario incluir más datos para realizar el cálculo de la reacción y se seleccionan las condiciones más críticas.