Determinación de los efectos electrodinámicos en barras de subestación de alta tensión AIS en 138 KV

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL SAN AGUSTIN FACULTAD DE INGENIERIA DE PRODUCCION Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA. “DETERMINACIÓN DE LOS EFECTOS ELECTRODINÁMICOS EN BARRAS DE SUBESTACIÓN DE ALTA TENSIÓN AIS EN 138 KV” Tesis presentado por el Bachiller: LEONEL JESUS VENTURA ROJAS Para optar el Título Profesional de Ingeniero Electricista. AREQUIPA – PERU 2018.

(2) AGRADECIMIENTOS La presente tesis la dedico a Dios, quien me dio la fe, la perseverancia, la fortaleza y la salud para poder concluir mi carrera. A mis padres, por su amor, trabajo y sacrificios en todos estos años, gracias a ustedes he logrado llegar hasta aquí y convertirme en lo que soy, ha sido un privilegio ser su hijo, son los mejores padres. A mi esposa por sus palabras y confianza, por su amor y brindarme el tiempo necesario para realizarme profesionalmente, a mis amigos, compañeros y a todas aquellas personas que de una u otra manera han contribuido para el logro de mis objetivos.. I.

(3) RESUMEN En la presente tesis, se desarrolla una metodología para el diseño, cálculo y ajuste de un sistema de barras de subestaciones de alta tensión, aislada por aire AIS, tomando en cuenta los parámetros normales como son la corriente nominal, la ampacidad, la potencia de cortocircuito, la coordinación de aislamiento y la distancia de seguridad entre fases y fasetierra para este estado estacionario. Sin embargo, por consideraciones de concepción de operación de Sistemas Eléctricos de Potencia se debe prever el estado de falla, por lo que en esta tesis luego de encontrar los niveles de cortocircuito en la barra a diseñarse, se toma estos valores para realizar un cálculo de los efectos electrodinámicos, a partir de estos fenómenos transitorios, de tal manera que el desplazamiento de las barras no contradiga las distancias de seguridad y pueda acarrear peores fallas de cortocircuito a partir de este Sistemas de barras. Realizando esta verificación de aislamiento por aire dadas por las distancias de seguridad, se ajusta con las distancias que podría acercar en caso de cortocircuito. Dando una mayor seguridad al diseño inclusive en caso de funcionamiento en estado de falla más crítico. Palabras claves: Electrodinámico, barra, subestación, aislamiento, alta tensión, cargas, corto circuito, distancias de seguridad, esfuerzos.. II.

(4) ABSTRACT In the present thesis, a methodology is developed for the design, calculation and adjustment of a system of high voltage substation bars, isolated by air (AIS), taking into account the normal parameters such as nominal current, ampacity, power Short circuit, insulation coordination and safety distance between phases and phase-earth for this steady state. However, due to considerations of the operation conception of Power Electric Systems, the failure status must be foreseen, so in this thesis after finding the short circuit levels in the bar to be designed, these values are taken to perform a calculation of the electrodynamic effects, from these transient phenomena, in such a way that the displacement of the bars does not contradict the safety distances and may lead to worse short circuit failures from this bar systems. Performing this insulation check by air given by the safety distances, it adjusts with the distances that could approach in case of short circuit. Giving greater security to the design even in case of operation in critical failure state. Keywords: Electrodynamic, bar, substation, insulation, high voltage, loads, short circuit, safety distances, stress.. III.

(5) INDICE AGRADECIMIENTOS……………………………………………………………………………………………………………………….I RESUMEN………………………………………………………………………………………………………………………………………II ABSTRACT…………………………………………………………………………………………………………………………………..…III. CAPÍTULO 1:GENERALIDADES ...........................................................................................................1 1.1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................1 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...........................................................................................2 1.3 HIPÓTESIS DE LA TESIS.............................................................................................................3 1.4 OBJETIVOS DE LA TESIS ............................................................................................................3. 1.4.1 OBJETIVO GENERAL .............................................................................................. 3 1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ....................................................................................... 3 1.5 JUSTIFICACIÓN DE LA TESIS .....................................................................................................3 1.6 TRABAJOS RELACIONADOS (ESTADO DEL ARTE) ......................................................................4 1.7 ALCANCES DE LA TESIS. ...........................................................................................................5 CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO ..........................................................................................................6 2.1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................6 2.2 TIPOS DE BARRAS ....................................................................................................................7. 2.2.1 Cables.................................................................................................................... 7 2.2.2 Tubos .................................................................................................................... 7 2.2.3 Barras de solera .................................................................................................... 9 2.3 MATERIALES ..........................................................................................................................10. 2.3.1 Cobre .................................................................................................................. 11 2.3.2 Aluminio.............................................................................................................. 13 2.4 ACCESORIOS DE BARRAS COLECTORAS .................................................................................13. 2.4.1 Tipos.................................................................................................................... 13 2.4.2 Materiales ........................................................................................................... 19 2.4.3 características ..................................................................................................... 20 2.5 AISLADORES PARA BARRAS ...................................................................................................22. 2.5.1 Tipos De Aisladores............................................................................................. 22 2.5.2 Aisladores rígidos................................................................................................ 22 2.5.3 Cadenas de aisladores ........................................................................................ 29. IV.

(6) 2.5.4 Aisladores especiales .......................................................................................... 29 2.5.5 Materiales ........................................................................................................... 30 2.5.6 Características..................................................................................................... 30 2.6 CONSIDERACIÓN DE LAS CARGAS EN DISEÑO DE BARRAS ....................................................30. 2.6.1 Cargas estáticas .................................................................................................. 31 2.6.2 cargas dinámicas................................................................................................. 35 2.7 FACTORES SECUNDARIOS EN EL DISEÑO DE LAS BARRAS COLECTORAS ...............................38. 2.7.1 Efecto corona...................................................................................................... 38 2.7.2 Radio interferencia ............................................................................................. 39 2.7.3 Efecto superficial ................................................................................................ 40 2.7.4 Efecto de proximidad.......................................................................................... 41 2.7.5 Emisividad térmica ............................................................................................. 41 2.7.6 Vibración ............................................................................................................. 42 2.7.7 Corrosión ............................................................................................................ 43 2.7.8 Corrosión atmosférica ........................................................................................ 43 2.7.9 Corrosión galvánica ............................................................................................ 43 CAPÍTULO 3: EFECTOS DE LOS CORTOCIRCUITOS EN LAS BARRAS COLECTORAS AT AIS .................45 3.1 INTRODUCCIÓN .....................................................................................................................45 3.2 TIPOS DE CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO Y SUS MANIFESTACIONES .................................46 3.3 ESPACIAMIENTO ENTRE BARRAS DE ALTA TENSION AIS .......................................................47 3.4 CALCULO DE LOS ESFUERZOS ELECTROMECANICOS EN SISTEMAS DE BARRAS ....................50. 3.4.1 Evaluación de cargas .......................................................................................... 52 3.4.2 Calculo de tensiones mecánicas y flechas en conductores flexibles .................. 63 3.4.3 Tablas de tendido ............................................................................................... 80 3.4.4 Cálculo de esfuerzos en barrajes rígidos ............................................................ 81 3.5 EFECTOS DE CORTOCIRCUITO EN SISTEMAS DE BARRAS FLEXIBLES ......................................90. 3.5.1 Sistemas de barras flexibles ............................................................................... 90 3.6 EFECTOS DE CORTOCIRCUITO EN BARRAS RIGIDAS.............................................................102. 3.6.1 Sistemas de barras rígidas ................................................................................ 102 CAPÍTULO 4: CÁLCULOS PREVIOS A LA DETERMINACIÓN DE LOS EFECTOS ELECTRODINÁMICOS ......................................................................................................................................................108 4.1 INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................108 4.2 FLUJO DE POTENCIA ............................................................................................................108. V.

(7) 4.2.1 Carga prevista. .................................................................................................. 109 4.3 CÁLCULO DE LA AMPACIDAD DE LAS BARRAS .....................................................................114. 4.3.1 Temperatura superficial de conductores flexibles ........................................... 115 4.3.2 Aumento de temperatura en conductores (flexibles en aire) y densidad de corriente en cortocircuito.......................................................................................... 122 4.4 CONSIDERACIONES DE coordinación DE AISLAMIENTO ......................................................125. 4.4.1 Definición .......................................................................................................... 125 4.4.2 Características de la rigidez del aislamiento .................................................... 125 4.4.3 Procedimientos para la coordinación de aislamiento ...................................... 127 4.4.4 Cálculo de la coordinación de aislamiento lado 138 kV ................................... 134 CAPÍTULO 5: CÁLCULO Y EVALUACIÓN DE LOS EFECTOS ELECTRODINÁMICOS EN EL SISTEMA DE BARRAS .........................................................................................................................................135 5.1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................................135 5.2 DETERMINACION DE LAS CARGAS RESULTANTES ................................................................135. 5.2.1 Calculo de fuerzas electromagneticas .............................................................. 135 5.3 CÁLCULO DE LOS ESFUERZOS MECÁNICOS RESULTANTES ..................................................136 5.4 DETERMINACION DEL ESPACIO FLUCTUANTE POR EFECTOS ELECTRODINAMICOS ............139 5.5 REVISION DE LAS DISTANCIAS ENTRE FASES........................................................................141 CONCLUSIONES .............................................................................................................................143 RECOMENDACIONES .....................................................................................................................144 BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………………………………………………..……………..145. VI.

(8) LISTADO DE FIGURAS FIGURA 1.1 Sistemas de barras en subestación de alta tensión aisladas en el aire. ............. 2 FIGURA 2.1 Clema fija o deslizante aluminio. .................................................................. 23 FIGURA 2.2 Zapata aluminio. ............................................................................................ 24 FIGURA 2.3 Conector “T” transversal ............................................................................... 25 FIGURA 2.4 Conector “T” Axial ........................................................................................ 26 FIGURA 2.5 Conector recto................................................................................................ 27 FIGURA 2.6 Junta de Expansión ........................................................................................ 28 FIGURA 3.1 Conexión de los segmentos hipotéticos para una falla línea a línea. El punto de falla se denomina barra K .................................................................................................... 46 FIGURA 3.2 Longitud de subvanos .................................................................................... 49 FIGURA 3.3 Configuración típica de conexión en subestaciones ...................................... 50 FIGURA 3.4 Factor “m” ..................................................................................................... 53 FIGURA 3.5 Factor “k”....................................................................................................... 54 FIGURA 3.6 Factor de respuesta de ráfaga para conductores – categoría de exposición “C” ............................................................................................................................................. 58 FIGURA 3.7 Coeficiente de aceleración sísmica Aa .......................................................... 60 FIGURA 3.8 Carga resultante sobre un cable con sobrecargas simultáneas de hielo y viento. ............................................................................................................................................. 64 FIGURA 3.9 Conductores con carga concentrada .............................................................. 66 FIGURA 3.10 Diagrama de fuerzas en una viga simplemente apoyada ............................. 67 FIGURA 3.11 Rango de movimiento de conductores flexibles durante un cortocircuito .. 68 FIGURA 3.12 Trayecto parabólica aproximada de un conductor con apoyos de nivel ...... 71 FIGURA 3.13 Trayectoria parabólica aproximada de un conductor con apoyo a desnivel 72 FIGURA 3.14 Convención de dimensiones de conductor y cadenas .................................. 74 FIGURA 3.15 Catenaria descrita por el conductor ............................................................. 76 FIGURA 3.16 Factor “q”..................................................................................................... 85 FIGURA 3.17 Oscilación de fases durante y después de cortocircuito trifásico ................ 92 FIGURA 3.18 Localización de movimientos de conductores antes y después de cortocircuito Fase - Fase ........................................................................................................................... 93 FIGURA 3.19 Vanos L1, L2 durante un cortocircuito Fase - Fase ..................................... 94 FIGURA 3.20 Angulo  m ................................................................................................... 99 VII.

(9) FIGURA 3.21 Angulo “ ”................................................................................................. 99 FIGURA 3.22 Disposición de conductores y dirección de fuerzas electromagnéticas ..... 103 FIGURA 3.23 Relación de fuerzas dinámicas y estáticas de los puntos de apoyo VF ..... 105 FIGURA 3.24 Relación de fuerzas dinámica y estática del conductor V ....................... 107 FIGURA 4.1 Barra donde se incorpora la carga de la expansión mina inmaculada ......... 110 FIGURA 4.2 Valores de “P” y “Q” antes de la incorporación de la nueva carga ............. 111 FIGURA 4.3 Valores de “Skss e Ikss” antes de la incorporación de la nueva carga ........ 111 FIGURA 4.4 Valores de “V y v” después de la incorporación de la carga de la mina inmaculada ......................................................................................................................... 112 FIGURA 4.5 Valores de “P y Q” después de la incorporación de la nueva carga ............ 113 FIGURA 4.6 Valores de “Skss e Ikss” después de la incorporación de la nueva carga .... 114 FIGURA 4.7 Variación de la presión atmosférica con respecto de la altura ..................... 120 FIGURA 4.8 Temperatura conductores de aluminio aleación de aluminio y ACSR en cortocircuito ....................................................................................................................... 124 FIGURA 4.9 Temperatura conductores de cobre y acero en cortocircuito ....................... 124 FIGURA 4.10 Evaluación del factor de coordinación estadística Kcd .............................. 131 FIGURA 4.11 Evaluación del riesgo de falla .................................................................... 132 FIGURA 5.1 Cortocircuito en barra 138Kv Inmaculada .................................................. 136 FIGURA 5.2 Momentos flectores ..................................................................................... 137. VIII.

(10) LISTADO TABLAS Tabla 2.1 Constantes físicas de los metales comúnmente usados como conductores ......... 10 Tabla 2.2 Cobre recocido con conductividad de 100% ....................................................... 12 Tabla 2.3 Propiedades físicas de los cables ACSR más usados .......................................... 15 Tabla 2.4 Propiedades de los tubos de cobre estándar 98% de conductividad .................... 16 Tabla 2.5 Propiedades de los tubos de aluminio estándar con 61% de conductividad ........ 17 Tabla 2.6 Propiedades de la solera ...................................................................................... 18 Tabla 2.7 Diferentes tipos de conectores atornillados de tubo a tubo, de tubo a cable y de cable a cable. ................................................................................................................................. 20 Tabla 2.8 Clema fija o deslizante aluminio ......................................................................... 23 Tabla 2.9 Zapata aluminio ................................................................................................... 24 Tabla 2.10 Conector “T” transversal ................................................................................... 25 Tabla 2.11 Conector “T” axial ............................................................................................. 26 Tabla 2.12 Conector recto ................................................................................................... 27 Tabla 2.13 Junta de Expansión ............................................................................................ 28 Tabla 2.14 Número de piezas en columnas de aisladores al nivel del mar ......................... 31 Tabla 2.15 Características tipo columna en intemperie (temperatura 10°C a 40°C 50/60Hz) ............................................................................................................................................. 34 Tabla 2.16 Tabla de coeficientes de expansión lineal de materiales comúnmente usados en las barras colectoras. ................................................................................................................. 35 Tabla 2.17 Serie galvánica de los metales ........................................................................... 44 Tabla 3.1 Probabilidad de ocurrencias de fallas por tipo. ................................................... 47 Tabla 3.2 Coeficiente de sitio “S” ....................................................................................... 61 Tabla 3.3 Factores. .  y  momento máximo para diferentes condiciones de apoyo .... 83. Tabla 4.1 Carga de expansión Mina Inmaculada .............................................................. 110 Tabla 4.2 Valores de “V, v, P, Q, Skss, Ikss” antes de la incorporación de la nueva carga112 Tabla 4.3 Valores de “V, v ,P ,Q , Skss, Ikss” después de la incorporación de la nueva carga ........................................................................................................................................... 114 Tabla 4.4 Valores de las constantes asociadas al número de nusselt ................................ 119 Tabla 5.1 Momentos de inercia más conocidos ................................................................. 138. IX.

(11) Tabla 5.2 Distancias mínimas en el aire ............................................................................ 140 Tabla 5.3 Distancias de seguridad en el aire ..................................................................... 142. X.

(12) LISTADO DE SIGLAS. AIS. :. Aislamiento por aire. UNI. :. Universidad Nacional de Ingeniería. BT. :. Baja tensión.. AT. :. Alta tensión.. ACSR. :. Conductor de Acero con Aluminio Reforzado. NEMA. :. Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos USA. SEIN. :. Sistema eléctrico interconectado nacional.. COES. :. Comité operación económica del sistema.. SS.EE. :. Sub estación eléctrica. XI.

(13) CAPÍTULO 1. GENERALIDADES. 1.1 INTRODUCCIÓN El gran desarrollo y expansión del sistema interconectado Nacional, en el Marco de la Región Sur, con el incremento de la demanda y su consecuencia que incluye el elevamiento de los niveles de tensión hasta los niveles de la extra alta tensión; está obligando a la Ingeniería Nacional y Regional al tratamiento de los detalles de diseño en esta práctica de la Ingeniería Eléctrica, que es muy especializada.. Aun las normas de operación de los sistemas de potencia no obligan específicamente el cálculo de los detalles de transitorios electromagnéticos relativos al diseño y cálculo del embarraje del patio de llaves de las subestaciones AIS de alta tensión.. Sin embargo, una focalización en los efectos del cortocircuito en las barras de las subestaciones garantizaría un diseño robusto y asegurado para su operación, la protección y su comportamiento en caso de falla.. 1.

(14) FIGURA 1.1 Sistemas de barras en subestación de alta tensión aisladas en el aire. Fuente: Fotografía Sistema de Barras 220 kV SSEE Santa Rosa Lima Perú. 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El cálculo y diseño del sistema de barras en los estudios se basa en el soporte de la corriente nominal (flujo de potencia) y la ampacidad, de las barras como conductores, esto en condiciones normales de operación, luego de lo cual es muy usual usar tablas de costumbre tecnológicas de diferentes normas para la selección de dichas barras. Relación Sección del conductor Vs Capacidad de transporte del conductor. 2.

(15) El problema es que no se prevé en detalle el comportamiento físico de las barras cuando se producen alteraciones por encima de los niveles de la corriente asignada (flujo de potencia) y ajustada por el cálculo de ampacidad, tal como el corto circuito, no se aseguran ni garantiza un dimensionamiento para los problemas extremos en la operación de los sistemas de potencia, como sobretensiones de maniobra y atmosféricas, juntamente con los transitorios relacionados con las sobre corrientes (cortocircuitos). Efectos mecánicos sobre el aislamiento entre las fases y fase-tierra.. 1.3 HIPÓTESIS DE LA TESIS Es posible ajustar las distancias de aislamiento entre barras que vendría a ser la distancia entre fases calculando los transitorios electromagnéticos como el cortocircuito y sus consecuencias mecánicas que podrían acercar las barras en diseño.. 1.4 OBJETIVOS DE LA TESIS 1.4.1 OBJETIVO GENERAL Calcular, diseñar y seleccionar el sistema de barras de una subestación de alta tensión considerando los efectos electrodinámicos de la red. 1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS . Determinación de la corriente asignada a la barra. . Determinación de las corrientes de corto circuito en las barras. . Dimensionamiento del sistema de barras. . Cálculo de los esfuerzos electrodinámicos en las barras.. . Comprobación de las distancias de seguridad en alta tensión.. 1.5 JUSTIFICACIÓN DE LA TESIS Esta tesis se justifica debido a que es muy necesario en los proyectos de subestaciones de alta tensión asegurar el comportamiento de las barras frente a los problemas que pueda 3.

(16) acarrear las fallas como el corto circuito y en especial los efectos mecánicos a consecuencia de estas, de tal forma que estas fallas no acerquen demasiado las distancias entre ellas y pueda multiplicar los cortocircuitos.. 1.6 TRABAJOS RELACIONADOS (ESTADO DEL ARTE) Se tiene como antecedentes de otros autores sobre el tema en la siguiente forma: . En el año 2003 en España, Avilés e Izurieta realizan un trabajo que considera el análisis de los efectos electrodinámicos y térmicos bajo condiciones de cortocircuito en una subestación convencional aplicado a la subestación de ceibos 69/13.8 kV., si bien es cierto el nivel de tensión pertenece ya a la de distribución, no considera los aspectos de la alta tensión, conociéndose que la alta tensión tiene consideraciones especiales. . A Methodology for Dynamically Adjusting a Transmission Line Rating on an Island Grid in the Caribbean - Sanjay Bahadoorsingh, The West Indian Journal of Engineering; si bien nos da un análisis de los efectos, no muestran una metodología para su aplicación.. . Se tienen datos de los componentes y la Ingeniería de la Línea de 220 KV Machupicchu -Quencoro-Onocora-Tintaya y ampliación de Subestaciones.. . La compañía de consultoría EPOXIFORMAS S.A. plantea un programa en hoja electrónica para el cálculo térmico y electrodinámico en barras conductores.. . Agustín Rela. Trata sobre los esfuerzos de cortocircuito; tratamiento simplificado para calcular las fuerzas que actúan en barras y cables de un tablero eléctrico. De hecho, es parte del análisis que se emplea, siendo este estudio no de aplicación.. . Antenor Delgado Bravo en su Tesis Diseño y construcción de subestaciones UNI 2005, solamente como una parte y parcialmente realiza la selección de las barras. 4.

(17) . Schneider en sus cuadernos técnicos realiza un enfoque con las Leyes de Bio Sabat para analizar el fenómeno de efectos electrodinámicos, lo hace para cuadros de carga en BT. Sin embargo, su análisis resulta de lo más moderno a considera sobre la física del fenómeno.. 1.7 ALCANCES DE LA TESIS. . El alcance será para subestaciones de alta tensión AT. . Se analizará en barras rígidas.. . El aislamiento de la subestación será asilado por aire (intemperie).. 5.

(18) CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO. 2.1 INTRODUCCIÓN Se llaman barra colectora al conjunto de conductores eléctricos que se utilizan como conexión común de los diferentes circuitos de que consta una subestación. Los circuitos que se conectan o derivan de las barras pueden ser de generadores, líneas de transmisión, de bancos de transformadores, de bancos de tierra, etc. En una subestación se pueden tener uno o varios juegos de barras que agrupen diferentes circuitos en uno o varios niveles de voltaje, dependiendo del propio diseño de la subestación. Las barras colectoras están formadas principalmente de los siguientes elementos: . Conductores eléctricos, del tipo cable o pletina (solera).. . Aisladores: que sirven de aislante eléctrico y de soporte mecánico del conductor.. . Conectores y herrajes: que sirven para unir los diferentes tramos de conductores y para sujetar el conductor al aislador.. El diseño de las barras colectoras implica la selección apropiada del conductor en lo referente al material, tipo y forma del mismo, a la selección de los aisladores y sus accesorios y a la selección de las distancias entre apoyos y entre fases. El diseño se hace con base a los esfuerzos estáticos y dinámicos a que están sometidas las barras, y según las necesidades de conducción de corrientes, disposiciones físicas, etc. La selección final de las barras se hace atendiendo aspectos económicos, materiales existentes en el mercado y normas establecidas.. 6.

(19) 2.2 TIPOS DE BARRAS Los tipos normalmente usados en alta tensión son los siguientes[1]: . Cables.. . Tubos.. . Soleras. 2.2.1 CABLES. El cable es un conductor formado por un haz de alambres trenzados en forma helicoidal. Es el tipo de barra más comúnmente usado. También se han usado conductores de un solo alambre en subestaciones de pequeña capacidad[1]. Las principales ventajas del uso de cables son: . Es el más económico de los tres tipos.. . Se logran tener claros (espacios de barra) más grandes.. Sus desventajas son: . Se tienen mayores pérdidas por efecto corona.. . También se tienen mayores pérdidas por efecto superficial.. Los materiales más usados para cables son el cobre y el aluminio reforzado con acero (ACSR). Este último tiene alta resistencia, buena conductividad eléctrica y bajo peso. Dependiendo de la capacidad de energía y para reducir las pérdidas por efecto corona se usan conjuntos de 2, 3 y 4 cables unidos por separadores especiales. 2.2.2 TUBOS Las barras colectoras tubulares se usan principalmente para, llevar grandes cantidades de corriente, especialmente en subestaciones de bajo perfil como las instaladas en zonas urbanas[1]. El uso de tubo en subestaciones compactas resulta más económico que el uso de otro tipo de barra. En subestaciones con tensiones muy altas, reduce el área necesaria para su instalación además de que requiere estructuras más ligeras. 7.

(20) Los materiales más usados para tubos son el cobre y el aluminio. Las principales ventajas del uso del tubo son: . Tiene igual resistencia a la deformación en todos los planos.. . Reduce el número de soportes necesarios debido a su rigidez.. . Facilita la unión entre dos tramos de tubo.. . Reduce las perdidas por efecto corona.. . Reduce las perdidas por efecto superficial.. . Tiene capacidades de conducción de corriente relativamente grandes por unidad de área.. Las desventajas son: . Alto costo del tubo en comparación con los otros tipos de barras.. . Requiere un gran número de juntas de unión debido a las longitudes relativamente cortas con que se fabrican los tramos de tubo.. La selección del tamaño y peso de los tubos se hacen con base en la capacidad de conducción de corriente y de su deflexión. En la mayoría de los casos se usan diámetros mayores que los necesarios para la conducción de corriente, con lo que se obtiene un aumento en la longitud de los claros y por lo tanto una reducción en el número de soportes, y así se disminuyen además las perdidas por efecto corona. Ventajas del tubo de aluminio sobre del cobre. . Mayor capacidad de corriente en igualdad de peso.. . A igual conductividad, el costo del tubo de aluminio es menor que el de cobre.. . Requiere estructuras más ligeras.. Desventajas del tubo de aluminio sobre el de cobre. . Mayor volumen del tubo en igualdad de conductividad.. . Los conectores son más caros.. 8.

(21) 2.2.3 BARRAS DE SOLERA La barra más comúnmente usada para llevar grandes cantidades de corriente (especialmente en interiores) es la solera de cobre o de aluminio[1]. Las principales ventajas del uso de soleras son: . Ser relativamente más económica que el tubo.. . Ser superior eléctricamente para conducción de corriente directa.. . Tiene excelente ventilación debido a la mayor superficie de radiación en comparación con su sección transversal especialmente en posición vertical.. Las principales desventajas son: . Baja resistencia mecánica al pandeo debido a los esfuerzos de cortocircuito.. . Mayores pérdidas por efecto superficial y de proximidad cuando se conduce corriente alterna.. . Requerir un número mayor de aisladores soporte.. La posición vertical de las soleras es la forma más eficiente para conducción de corrientes, tanto alterna como directa, debido a su mejor ventilación, ya sea se usen por separado o en grupos, espaciándolas para dejar circular el aire y mejorar la ventilación. Cuando se agrupan varias soleras en forma laminar, la eficiencia de conducción de corriente por unidad de sección transversal es menor que cuando se usan una sola solera. Al conducir corriente directa en grupos de soleras, y debido al poco espacio que hay entre ellas, su conducción de calor disminuye lo que hace que las soleras del centro se calienten más, bajando la eficiencia de conducción de corriente. En corriente alterna, ocurre lo contrario, ya que debido al efecto superficial se produce mayor densidad de corriente en la periferia del conductor, al estar en contacto con el aire circundante, facilita la eliminación del calor generado, aumentando la eficiencia de conducción de corriente.. 9.

(22) 2.3 MATERIALES El material que forma un conductor eléctrico es cualquier sustancia que puede conducir una corriente eléctrica cuando este conductor está sujeto a una diferencia de potencial entre sus extremos. Esta propiedad se llama conductividad, y las sustancias con mayor conductividad son los metales. Los materiales comúnmente usados para conducir corriente eléctrica son en orden de importancia: cobre aluminio, aleaciones de cobre, hierro y acero [1]. La selección de un material conductor determinado es, esencialmente, un problema económico, el cual no solo considera las propiedades eléctricas del conductor sino también otras como: propiedades mecánicas, facilidad de hacer conexiones, su mantenimiento, la cantidad de soportes necesarios, las limitaciones de espacio, resistencia a la corrosión del material y otros. En la tabla 2-1 se dan las propiedades físicas de los metales normalmente utilizados para la fabricación de conductores eléctricos[1].. Tabla 2.1 Constantes físicas de los metales comúnmente usados como conductores PROPIEDADES FISICAS. COBRE ELECTROLITICO. g / cm3 a 20C. PESO ESPECIFICO PUNTO DE FUSION. C. COEF.LIENAL DE EXPANSION TERMICA:. kg / cm. 2.71. 7.63. 1084. 658. 1406. 17.6. 23.1. 10.9. 1.68. 2.68. Aprox.16. 101.0. 61.0. 12.3. 3866. 1898. 9139. 2249. 844. 6046. 1.19. 0.70. 2.1. DURO BLANDO. MODULO DE ELASTICIDAD 2. 8.91. (C ) POR 10. RESISTENCIA A LA TENSIÓN. kg / cm2. ACERO. 6. RESISTIDAD ELECTRICA A 20C Microhms -cm CONDUCTIVIDAD ELECTRICA EN % DEL COBRE RECOCIDO A 20C RESISTENCIA A LA TENSIÓN 2. ALUMINIO. 6. kg / cm por 10. FUENTE: José Raúl Martin, Diseño De Subestaciones Eléctricas.. 10.

(23) 2.3.1 COBRE La mayoría de los conductores eléctricos están hechos de cobre. Sus principales ventajas son los siguientes: . Es el metal que tiene la conductividad eléctrica más alta después de la plata, esta última no se usa por su alto costo.. . Tiene gran facilidad para ser estañado plateado o cadminizado y puede ser soldado usando equipo especial de soldadura para cobre.. . Es muy dúctil por lo que fácilmente puede ser convertido a cable tubo o rolado en forma de solera u otra forma.. . Tiene buena resistencia mecánica; aumenta cuando se usa en combinación con otros metales, para formar aleaciones.. . No se oxida fácilmente por lo que soporta la corrosión ordinaria.. . Tiene buena conductividad térmica.. Para conductores de cobre desnudos, la temperatura máxima de operación se fija el valor al cual el metal empieza a aumentar su velocidad de oxidación y por lo tanto esta no deberá llegar a 80°C, la cual comprende la suma dela temperatura del conductor más la temperatura ambiente de 40°C[2]. Debido a lo anterior, el nivel máximo de temperatura especificado por NEMA es de:. 11.

(24) Tabla 2.2 Cobre recocido con conductividad de 100% TIPO RECOCIDO CALIBRE NUMERO DE ALAMBRES. DIAM. DEL ALAMBRE mm. DIAM. DEL CABLE mm. AREA mm2. PESO kg/km. RESIST.MAX A LA c.d. 20°C ohms/km. CARGA MAX DE RUPTURA kg. CAP.DE COND. DE CORRIENTE CABLE DESNUDO(AMPERES). INTERIOR 30°C. EXTERIOR 30°C. 360. -. -. 0.815. 572. 100. 135. 0.512. 910. 135. 185. 475.4. 0.322. 1391. 184. 248. 67.43. 599.5. 0.255. 1754. 216. 286. 10.404. 85.01. 755.9. 0.203. 2212. 250. 335. 11.684. 107.2. 953.2. 0.161. 2789. 296. 388. 3.665. 15.24. 126.64. 1148.6. 0.138. 3295. 331. 434. 4.12. 20.59. 253.35. 2297.5. 0.069. 6591. 525. 670. MCM. AWG. 26.25. 6. 7. 1.554. 4.115. 13.3. 118.3. 1.296. 41.74. 4. 7. 1.961. 5.189. 21.15. 188. 66.37. 2. 7. 2.474. 6.543. 33.62. 299. 105.5. 1/0. 7. 1.892. 8.252. 53.48. 133.1. 2/0. 7. 2.126. 9.266. 167.8. 3/0. 7. 2.388. 211.6. 4/0. 7. 2.68. 250. -. 12. 500. -. 19. FUENTE: José Raúl Martin, Diseño De Subestaciones Eléctricas.. 12.

(25) 2.3.2 ALUMINIO Los conductores de aluminio son muy usados para exteriores, en líneas de transmisión y distribución y para servicios pesados en subestaciones[1]. Las principales ventajas son[1]: . Es muy ligero, tiene la mitad de peso que el cobre para la misma capacidad de corriente.. . Altamente resistente a la corrosión atmosférica.. . Puede ser soldado con equipo especial.. . Se reduce el efecto superficial y el efecto corona debido a que para la misma capacidad de corriente, se usan diámetros mayores.. Las principales desventajas son[1]: . Menor conductividad que el cobre.. . Se forma en su superficie una película de óxido que es altamente resistente al paso de la corriente por lo que causa problemas en juntas de contacto.. . Debido a sus características electronegativas, al ponerse en contacto directo con el cobre causa corrosión galvánica, por lo que siempre se deberá usar juntas bimetálicas o pastas anticorrosivas.. 2.4 ACCESORIOS DE BARRAS COLECTORAS. Todos los elementos que sirven para unir elementos conductores, fijarlos a los aisladores y que absorben los esfuerzos, mecánicos de los diferentes tipos que existen en instalaciones de barras conductoras[2]. 2.4.1 TIPOS Los accesorios más usados en las instalaciones de barras son:. 13.

(26) Conectores. Sirven para conectar los diferentes tramos de tubos que forman una barra, entre el juego de barras y las derivaciones a los aparatos. Los conectores pueden ser de diversos tipos (rectos,” T”, codos, etc.) y además pueden ser soldados, atornillados o de compresión. Cuando se usan conexiones soldadas se tienen las siguientes ventajas: . Son más económicas que las atornilladas a medida que crecen las subestaciones en tamaño.. . Las soldaduras son más confiables.. Juntas de expansión. Son las formadas por conductores flexibles que sirven para absorber las expansiones térmicas de las barras. Se deben instalar a la llegada de las barras al equipo pesado, para evitar esfuerzos en las boquillas de entrada a dicho equipo. El tipo de junta que se escoja dependerá del equipo y de la disposición de la instalación adoptada [3]. Herrajes. Sirven para la fijación o soporte de las barras sobre los aisladores. Los herrajes usados en barras colectoras de tubo o solera son de los siguientes tipos[3]: . Soportes de anclaje (clemas fijas).. . Soportes deslizantes sobre los que resbala el conductor al dilatarse.. Los requisitos que debe reunir un buen conductor eléctrico son, en general los siguientes: . Buena resistencia mecánica para soportar los esfuerzos causados por cortocircuito, viento y expansión térmica, sin producir deformación visible.. . Alta conductividad eléctrica, que disminuye las pérdidas de potencia en la conexión.. . Baja elevación de temperatura, aun con sobrecarga; es decir la elevación de temperatura del conector será menor que la elevación de temperatura de los conductores que conecta.. . La trayectoria de la corriente deberá ser la más corta y directa posible.. . La resistencia eléctrica del conector debe ser igual o menor que una longitud equivalente de los conductores que conecta.. . Baja resistencia de contacto, lo que logra aumentando el número de puntos de contacto; lo cual se obtiene al aumentar la presión de contacto sobre materiales relativamente maleables.. Para conectores depresión atornillados, además delos requisitos anteriores, se necesita que: 14.

(27) . Los pernos estén lo más próximo posible a los conductores.. . Los pernos estén en pares opuestos para obtener un apriete máximo.. . El diámetro y numero de pernos necesarios sean diseñados para producir el apriete deseado.. Tabla 2.3 Propiedades físicas de los cables ACSR más usados DIAMETRO mm CALIBRE. mm. NUMERO DE ALAMBRES TOTAL DE CABLE. NUCLEO DE ACERO. PESO CAPAC. DE CARGA TOTAL RESISTENCIA COND. DE DE DEL 25°C CORRIENTE RUPTURA CABLE Ohm/km 30°C Kg Kg/Km AMP. MCM ALUMINIO ACERO. 171.36. 26. 7. 18.31. 6.75. 688. 6373. 0.172. 420. 405.45. 795. 26. 7. 28.14. 10.16. 1633.8. 14152. 0.071. 725. 567.63. 336. 54. 19. 32.84. 10.94. 2126.3. 18234. 0.052. 875. FUENTE: José Raúl Martin, Diseño De Subestaciones Eléctricas.. 15.

(28) Tabla 2.4 Propiedades de los tubos de cobre estándar 98% de conductividad. DIAMETRO NOMINAL. DIAMETRO DEL TUBO cm. GRUESO DE LA PARED cm. MOMENTO DE INERCIA l=(cm)4. MODULO DE SECCION S=(cm)3. LIMITE ELASTICO kg. Pulg. cm. EXTERIOR. INTERIOR. 3/4. 2. 2.667. 2.087. 0.289. 2.162. 1.93. 1.53. 1.1628. 2433. RESISTENCIA A LA c.d. 20°C MICROOHMS POR METRO 8131. 1. 2.5. 3.34. 2.697. 0.321. 3.046. 2.73. 3.5104. 2.1024. 3427. 5772. 1 1/4. 3.2. 4.216. 3.474. 0.37. 4.478. 3.98. 8.3578. 3.9656. 5039. 1 1/2. 4. 4.826. 4.064. 0.381. 5.319. 4.74. 13.2361. 5.4847. 5983. 2. 5. 6.032. 5.237. 0.398. 7.036. 6.26. 28.0705. 9.3061. 2 1/2. 6. 7.302. 6.35. 0.476. 10.21. 9.1. 59.7706. 16.3722. AREA cm2. PESO kg/m. CAPACIDAD DE CONDICION DE CORR. 30°C AMP INTER. INTEMP. 512. 680. 675. 860. 3926. 875. 1130. 3306. 1025. 1285. 7915. 2499. 1300. 1585. 11489. 1722. 1700. 2010. FUENTE: José Raúl Martin, Diseño De Subestaciones Eléctricas.. 16.

(29) Tabla 2.5 Propiedades de los tubos de aluminio estándar con 61% de conductividad. DIAMETRO NOMINAL. GRUESO DE LA PARED cm. DIAMETRO DEL TUBO cm. Pulg. cm. 3/4. 2. 2.667. 2.093. 0.287. 2.147. MOMENTO MODULO DE LIMITE PESO DE INERCIA SECCION ELASTICO RESISTENCIA A kg/m l=(cm)4 S=(cm)4 kg LA c.d. 20°C MICROOHMS POR METRO 0.58 1.54 1.1552 2871 140.74. 1. 2.5. 3.34. 2.664. 0.337. 3.186. 0.863. 3.6336. 2.1761. 4259. 1 1/4. 3.2. 4.11. 2.206. 0.355. 4.308. 0.68. 8.1039. 3.8443. 1 1/2. 4. 4.826. 4.089. 0.373. 5.16. 1.397. 12.8989. 2. 5. 6.032. 5.25. 0.391. 6.87. 1.877. 27.2922. 2 1/2. 6. 7.302. 6.271. 0.515. 10.99. 2.979. 3. 8. 8.89. 7.792. 0.548. 14.37. 4. 10. 11.43. 10.226. 0.602. 5. 12.5. 14.13. 12.819. 0.655. AREA cm2. CAPACIDAD DE CONDICION DE CORR. 30°C INTER. INTEMP. 435. 530. 94.89. 590. 700. 5756. 70.16. 740. 890. 5.3454. 6894. 58.58. 840. 1010. 9.1865. 9253. 43.59. 1100. 1320. 63.6831. 17.45. 14696. 27.52. 1490. 1790. 3.894. 125.6053. 28.257. 19187. 21.02. 1765. 2120. 20.47. 5.548. 301.038. 52.674. 27352. 14.76. 2300. 2720. 27.74. 7.515. 631. 89.325. 37059. 10.89. 3100. 3660. EXTERIOR INTERIOR. FUENTE: José Raúl Martin, Diseño De Subestaciones Eléctricas.. 17.

(30) Tabla 2.6 Propiedades de la solera EJE HORIZONTAL EJE VERTICAL MOM. MODULO MOM. MODULO DE DE DE DE ANCHO MCM cm2 kg/m INERCIA SECCION INERCIA SECCION Pulg cm l= cm4 S=cm3 l=cm4 S=cm3 SOLERA DE COBRE 2 5 636.6 3.225 2.88 6.926 2.73 0.1083 0.3413 2 6 795.8 4.031 3.6 13.527 4.267 0.1354 0.4267 1/2 3 8 955 4.837 4.33 23.375 6.1451 0.1625 0.512 4 10 1273 6.45 5.77 55.4 10.923 0.2167 0.6826 5 12.5 1592 8.062 7.21 108.219 17.075 0.2709 0.8534 SOLERA DE ALUMINIO 3 8 955 4.837 1.3 23.433 6.1451 0.1664 0.5079 4 10 1273 6.45 174 55.483 10.93 0.2081 0.6882 5 12.5 1592 8.062 2.18 108.386 17.075 0.2913 0.8521. DIMENSIONES ESPESOR Pulg cm. 1/4 0.6. 1/4 0.6. AREA. PESO. RESISTENCIA LIMITE A LA c.d. ELASTICO 20°C kg MICROOHMS POR METRO 5216. 54.18. 7087. 43.32. 8505 11340 14175. 36.11 27.06 21.64. -. 58.41 43.82 35.06. FUENTE: José Raúl Martin, Diseño De Subestaciones Eléctricas.. 18.

(31) 2.4.2 MATERIALES Las características de un buen material para conectores deben ser las siguientes[4]: . Alta conductividad.. . Superficie maleable. . Ductilidad, que permita un contacto envolvente del conductor.. Los materiales más utilizados son el cobre y el aluminio en diferentes aleaciones cuyas características principales son las siguientes[4]: . Aleaciones con alto contenido de cobre. Se usa para muy altas corrientes y pueden llevar hasta el doble de la corriente normal del conductor que une.. . Aleación de alta resistencia mecánica de baja conductividad eléctrica. Se usan para sujetar el conductor al aislador.. Ambas aleaciones tienen coeficientes de expansión térmica casi igual al del cobre puro, lo cual permite que los conectores no se aflojen al variar los ciclos de temperatura, de acuerdo con la variación de carga en las barras. En los pernos de unión se usa bronce al silicio que tiene igual coeficiente de expansión térmica que el cobre, teniendo como características principales alta resistencia mecánica y alta resistencia a la corrosión. Los cambios de temperatura en las conexiones, debidos a la temperatura ambiente o a la corriente eléctrica, ocasionan movimientos relativos muy pequeños del metal en la zona de alta presión a las zonas de baja presión, haciendo que el conductor se afloje. Este fenómeno se llama cedencia del material y aumenta cuando los metales son diferentes. Al aflojarse el conector, se produce la presión de contacto, que hace aumentar la temperatura y con el tiempo se produce esfuerzos tales que hacen hallar al conector. Esto es más frecuente cuando el cable es de aluminio[1].. 19.

(32) 2.4.3 CARACTERÍSTICAS 2.4.3.1 TIPOS DE CONECTORES SOLDADOS Las figuras 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, 2-5, 2-6 muestran un conjunto de conectores y soportes, semejantes a los que utiliza la compañía de Luz y Fuerza del Centro S.A., que se pueden elaborar con material sobrante de la construcción de la subestación[1]. Tabla 2.7 Diferentes tipos de conectores atornillados de tubo a tubo, de tubo a cable y de cable a cable. Tipo. Uso. CONECTOR “I”. Derivación en I de un tubo a otro tubo, o de un tubo a cable, o de cable a cable.. CONECTOR “T”. Derivación en T de un tubo a dos tubos formando un ángulo, de un tubo a dos cables, de un cable a otros dos o de tubos a soleras.. COPLES. Unión recta de tubos, extremo con extremo, de tubo con cable, o de dos cables de tubo con solera o de dos soleras.. REDUCCION. Unión recta de tubos, extremo con extremo, que absorbe cualquier movimiento longitudinal de los tubos o de las soleras.. CONECTOR. “T”. EN. Derivación en T de un tubo a otro tubo que absorbe cualquier. EXPANSIÓN. desplazamiento de los tubos en el sentido longitudinal y angular. CONECTORES A BIRLO DE. Unión recta o en ángulo de tubo o de solera a birlo roscado, que. EXPANSIÓN. absorbe cualquier movimiento del tubo o del birlo.. TERMINAL DE EXPANSIÓN. Unión de tubo a placa que absorbe cualquier movimiento longitudinal del tubo. CLEMAS. Soportan los tubos y van montados sobre los aisladores, pueden ser fijas o deslizantes. También se usan para fijar cables o soleras, ya sean estas últimas horizontales o verticales.. CONECTORES. A. BIRLO. Unión recta o en ángulo de tubo o solera a birlo roscado.. RIGIDO FUENTE: José Raúl Martin, Diseño De Subestaciones Eléctricas.. 20.

(33) Dichos conectores se fabrican con elementos soldados de aluminio a partir de la tubería y placa de diferentes diámetros y espesores. Parte de ellos se produce en el taller y parte en la obra. Los tubos de aluminio tienen la pared de grueso normal y solo el de 102 milímetros (4 pulgadas) es de cedula 80[1]. Este tipo de herrajes puede usarse para reportar tensiones y corrientes inferiores a115 KV y 1000 Amperes. Los herrajes que soportan tensiones de 230 KV o mayores tienen una apariencia semejante a los soldados, excepto que las aristas están redondeadas y los tornillos están cubiertos de una especie de concha, una de cada lado de la zapata. El objetivo de dichas conchas es cubrir las aristas de estos para evitar la concentración de campo eléctrico y, por ende, la aparición de efecto corona. Estos conectores se adquieren con un proveedor especializado.. A continuación, se aclaran algunos puntos de las figuras mencionadas:. Figura 2-1. Muestra un soporte de tubo (clema), fijo cuando se suelta con el tubo (de acuerdo con la nota 1); de lo contrario queda deslizable. El diámetro A del circulo representa la línea de centro de los taladros que trae de fabrica la cabeza de los aisladores de apoyo (3 pulgadas). En otros aisladores el diámetro A es de 127 milímetros (5 pulgadas) por norma. Figura 2-2. Representa una zapata que se fabrica aplastando un extremo del tubo de aluminio. De acuerdo con las dimensiones indicadas el material sobrante se recorta y la superficie de contacto de la zapata se máquina. Figura 2-3 y 2-4. Muestran dos conectores, uno transversal con respecto al eje del tubo y otro soldado axialmente con respecto al mismo. Los taladros se desplazan para que pueda ver cierto des alineamiento del tubo al atornillar la zapata. Figura 2-5. Ilustra la unión de dos tubos por medio de una junta soldada. Los tubos están separados por los salientes de un anillo especial que se utilizan en la soldadura de tubos y que permiten la penetración adecuada del metal fundido. 21.

(34) Figura 2-6. Muestra una junta de expansión que utiliza cuatro tramos de cable de aluminio, cuyos extremos deben quedar perfectamente soldados al tubo para tener una conducción eléctrica óptima.. 2.5 AISLADORES PARA BARRAS. Son elementos que fijan las barras conductoras a la estructura y proporcionan además el nivel de aislamiento necesario[1]. 2.5.1 TIPOS DE AISLADORES La selección adecuada de determinado tipo de aislador depende de varios factores, como son: el tipo de barra que se usara, el nivel de aislamiento que se determine para el juego de barras, los esfuerzos a que este sujeto, condiciones ambientales, etc. Se usan tres tipos de aisladores: los aisladores rígidos, las cadenas de aisladores y los aisladores de tipo especial. 2.5.2 AISLADORES RÍGIDOS Este tipo de aisladores se usa para soportar barras rígidas, como son los tubos y las soleras. Existen dos tipos de aisladores rígidos: los aisladores tipo alfiler y los aisladores tipo columna. . Aisladores tipo alfiler. Cada elemento de este tipo de aislador está formado por una serie de aisladores concéntricos formando un conjunto que refuerza la distancia de flameo.. 22.

(35) FIGURA 2.1 Clema fija o deslizante aluminio. FUENTE: José Raúl Martin, Diseño De Subestaciones Eléctricas.. Tabla 2.8 Clema fija o deslizante aluminio DIAMETRO DEL TUBO NOMINAL INT. EXT. 32 35 42 51 53 60 64 63 73 76 78 89 102 103 114. NOMINAL. 51 64 76 89 114. INT. 49 63 78 91 122. EXT. 60 73 89 102 141. CLEMA A 76 76 76 76 76. B 10 13 19 19 19. C 145 145 145 145 145. D 38 38 58 58 58. E 60 70 80 92 114. NOTAS: 1. 2. 3. 4.. PARA CLEMA FIJA SOLDAR EN EL TERRENO ACOTACIONES EN mm SOLDAR EN EL TALLER MATERIAL ALUMINIO. 23.

(36) FIGURA 2.2 Zapata aluminio. FUENTE: José Raúl Martin, Diseño De Subestaciones Eléctricas.. Tabla 2.9 Zapata aluminio DIAMETRO DEL TUBO NOMINAL. CLEMA. INT.. EXT.. NOMINAL. INT.. EXT.. A. B. C. D. 32. 35. 42. 51. 49. 60. 76. 76. 225. 10. 51. 53. 60. 64. 63. 73. 76. 76. 225. 10. 64. 63. 73. 76. 78. 89. 76. 111. 275. 11. 76. 78. 89. 89. 91. 102. 76. 121. 275. 11. 102. 103. 114. 114. 122. 141. 76. 121. 325. 19. NOTAS: 1. 2. 3. 4.. TALADROS NEMA SOLDAR EN EL TERRENO ACOTACIONES EN mm MATERIAL ALUMINIO. 24.

(37) FIGURA 2.3 Conector “T” transversal FUENTE: José Raúl Martin, Diseño De Subestaciones Eléctricas.. Tabla 2.10 Conector “T” transversal DIAMETRO. DEL TUBO. CONECTOR. NOMINAL. INT.. EXT.. A. B. C. 32. 35. 42. 175. 76. 10. 51. 53. 60. 175. 76. 13. 64. 63. 73. 175. 76. 19. 76. 78. 89. 185. 76. 19. 102. 103. 114. 185. 76. 19. NOTAS: 1. SOLDAR EN EL TERRENO 2. ACOTACIONES EN mm 3. MATERIAL ALUMINIO. 25.

(38) FIGURA 2.4 Conector “T” Axial FUENTE: José Raúl Martin, Diseño De Subestaciones Eléctricas. Tabla 2.11 Conector “T” axial DIAMETRO DEL TUBO. CONECTOR. NOMINAL. INT.. EXT.. A. B. C. 32. 35. 42. 175. 76. 10. 51. 53. 60. 175. 76. 13. 64. 63. 73. 175. 76. 19. 76. 78. 89. 185. 76. 19. 102. 103. 114. 185. 76. 19. NOTAS: 1. SOLDAR EN EL TERRENO 2. ACOTACIONES EN mm 3. MATERIAL ALUMINIO. 26.

(39) FIGURA 2.5 Conector recto. FUENTE: José Raúl Martin, Diseño De Subestaciones Eléctricas.. Tabla 2.12 Conector recto DIAMETRO DEL TUBO NOMINAL. INT.. EXT.. A. 32. 35. 42. 8. 51. 53. 60. 8. 64. 63. 73. 9. 76. 78. 89. 11. 102. 103. 114. 13. NOTAS: 1. SOLDAR EN EL TERRENO 2. ACOTACIONES EN mm 3. MATERIAL ALUMINIO. 27.

(40) FIGURA 2.6 Junta de Expansión FUENTE: José Raúl Martin, Diseño De Subestaciones Eléctricas.. Tabla 2.13 Junta de Expansión DIAMETRO DEL TUBO NOMINAL. CONECTOR. INT.. EXT.. 32. 35. 42. 51. 53. 64. NOMINAL. INT.. EXT.. A. B. C. D. E. 51. 49. 60. 200. 50. 50. 80. 100. 60. 64. 63. 73. 240. 75. 75. 100. 145. 63. 73. 76. 78. 89. 300. 75. 75. 125. 170. 76. 78. 89. 89. 91. 102. 350. 80. 80. 160. 210. 102. 103. 114. 114. 122. 141. 400. 80. 80. 210. 260. FUENTE: José Raúl Martin, Diseño De Subestaciones Eléctricas.. 28.

(41) NOTAS: 1. 2. 3. 4.. SOLDAR EN EL TALLER SOLDAR EN EL TERRENO ACOTACIONES EN mm MATERIAL ALUMINIO. Su principal ventaja es que evita que, entre sus pliegues, penetre la contaminación. Su desventaja es lo difícil de su limpieza. Este tipo de aislador se usa solo, o en columna, sobreponiendo uno sobre otro hasta alcanzar el nivel de aislamiento deseado. . Aisladores tipo columna. Este tipo de aislador está formado por una sola pieza de mayor longitud que el tipo anterior. Actúa como una columna mecánica.. Sus principales ventajas son: . Alta resistencia mecánica.. . Alta rigidez.. . Mayor estabilidad.. . Ofrece una superficie mayor a la atmosfera contaminante.. . Aunque se contamina más, es más fácil de limpiar ya sea por lluvia o por algún medio artificial.. También se usan solos o ensamblados unos a otros. 2.5.3 CADENAS DE AISLADORES Se usan para soportar barra de cable. La selección del aislador adecuado se hace de acuerdo con los esfuerzos mecánicos a que se van a sujetar[1]. Se enlazan un aislador con otro formando una cadena hasta obtener el nivel de aislamiento deseado. 2.5.4 AISLADORES ESPECIALES Son todos los aisladores que tienen un diseño especial debido a las condiciones donde se van a instalar[1]. 29.

(42) Algunos de ellos son del tipo de aislamiento reforzado que se usan en los casos en que las subestaciones están ubicadas en zonas con alto nivel de contaminación (polvo, humos químicos, humedad, etc. 2.5.5 MATERIALES Los materiales aislantes más usados son la porcelana y el vidrio templado. Las principales características de los materiales aislantes usados son [1]: . Alta resistencia eléctrica.. . Alta resistencia mecánica.. . Estructura muy densa.. . Cero absorciones de humedad.. Las cachuchas y alfileres de los aisladores están hechos de fundición de hierro maleable. La ventaja del hierro maleable es que elimina la oxidación y por lo tanto no es necesario su galvanización. La unión de los materiales aislantes y los metales se hace por medio de tratamientos especiales que aumentan la adherencia entre las superficies. 2.5.6 CARACTERÍSTICAS Los aisladores de tipo alfiler y columna tienen características eléctricas muy parecidas. El número de piezas ensambladas una sobre otra, para los diferentes niveles de voltaje adoptados en las subestaciones, y para las condiciones de altura sobre el nivel del mar de 2300 m (Cd. de México), son las siguientes: ver (Tabla 2.14) [1]:. 2.6 CONSIDERACIÓN DE LAS CARGAS EN DISEÑO DE BARRAS Las cargas consideradas en el diseño de las barras colectoras son todas las variables que intervienen en el cálculo y que, de una forma u otra, influyen en el resultado del diseño. Estas cargas se pueden dividir en dos grupos principales que son cargas estáticas y cargas dinámicas[2]. 30.

(43) Tabla 2.14 Número de piezas en columnas de aisladores al nivel del mar TIPO ALFILER:. NIVEL DE. VOLTAJE. AISLAMIENTO AL. NUMERO DE PIEZAS. IMPULSO kV 23 kV. 150. 1. 85 kV. 500. 3. 230 kV. 1300. 7. 400 kV. 1800. 10. TIPO COLUMNA:. NIVEL DE. NUMERO DE PIEZAS. VOLTAJE. AISALMIENTO AL IMPULSO kV. 85 kV. 550. 1. 230 kV. 1175. 3. 400 kV. 1675. 5. Nota: Para obtener el NBI A 2300 m.s.n.m se multiplica el valor de la segunda columna por   0.763 FUENTE: José Raúl Martin, Diseño De Subestaciones Eléctricas.. 2.6.1 CARGAS ESTÁTICAS Se define como cargas estáticas todas las que actúan sobre las barras, en forma constante y que consideradas en el diseño en forma vertical. 2.6.1.1 PESO DEL CONDUCTOR Uno de los factores básicos de la selección de un conductor es el peso mismo y los pesos adicionales, como son los conectores, hielo y los cables que se llegan a instalar dentro de los tubos, para amortiguar la vibración ocasionadas por agentes externos al tubo. En el diseño de barras de tubo, el factor determinante a los pesos anteriores es la deflexión del tubo. Los límites prácticos para una máxima deflexión del tubo son: 1/150.. 31.

(44) Del claro, en caso de usar dos apoyos (como viga libremente apoyada con carga unifórmenle repartida) y de 1/200 del claro en caso de usar más de dos apoyos (viga continua con cargas uniformemente repartida). Una viga con carga unifórmenle distribuida y libremente apoyada tiene una flecha máxima de:. 5Wt L3 f  384EI. Dónde:. Wt  carga totalen lb L  claro en pulg E  modulo deelasticidad en lb/pulg 2 f  flecha en pulg W  peso unitario del tubo en lb/pie I  momento deinercia dela seccion en pulg 4 En el caso de que el tubo este como una viga continua ósea, el tubo este apoyado con clemas fijas, se usa 1/5 de la flecha de una viga libremente apoyada. Si la viga tiene dos claros y es libre en los extremos o el tubo tiene apoyos deslizantes, se usan 2/5 de la flecha de una viga libremente apoyada. En algunos casos una vez calculada la flecha de la barra se le da a este una contra flecha, antes de montarla, igual a la flecha calculada y en esta forma se ve el tubo como una viga completamente horizontal. Para reducir las flexiones, se usan tubos de mayor diámetro, resultados estos más económicos al reducir el número de soportes de la barra, por lo tanto, el peso de la estructura el incremento en el diámetro del tubo no solo hace posibles mayores claros, sino que también reduce las perdidas por efecto corona. Las barras de tubo deben quedarse selladas en sus extremos con para evitar la acumulación de agua, la cual ocasiona un aumento en el peso del tubo y por tanto en la deflexión. Estos tapones deben tener forma esférica para reducir, las perdidas por efecto corona. 32.

(45) Aunque el módulo de elasticidad del aluminio es aproximadamente 2/3 del valor de módulo de elasticidad del cobre, los tubos de aluminio tienen menor deflexión a que el peso, para igual volumen, es de 1/3 del cobre. Pero en caso de acumular hielo, a mayor espesor de este el tubo de aluminio se deflexiona más que el de cobre.. 33.

(46) Tabla 2.15 Características tipo columna en intemperie (temperatura 10°C a 40°C 50/60Hz) RESISTENCIA MECANICA DIMENSIONES VOLT. NOMI. kv. 23. CANTILEVER. RESISTENCIA MINIMA. VERTICAL VERTICAL TORSIÓN TENSIÓN COMPRESIÓN PISO TECHO kg -m ALTURA DIAM. kgs kgs kgs kgs (lb mm mm lbs (lbs) (lbs) (lbs) pulg) pulg pulg. 305. 267. 908. 454. 2270. 92. CARACTERISTICAS ELECTRICAS NIVEL DE AISLAMIENTO A FREC NOMINAL NIVEL DE IMPULSO 1.2X 50 SEC. HUMEDO SECO Kv kv kv. DIST. DE FUGA mm pulg. 4540. 150. 60. 70. 508. (N.M). (N.M). 20. 12. 10 1/2. 2000. 1000. 5000. 8000. 10000. NIVEL DEL MAR. 85. 368. 432. 3178. 1816. 9080. 461. 27240. 210. 75. 115. 838. 230. 14 1/2. 17. 7000. 4000. 20000. 40000. 60000. NIVEL DEL MAR. (N.M). (N.M). 33. 85. 1220. 240. -. 408. -. 817 1800. 230. 400. 2650. 3850. 280. 350. 409. 35385 -. 306. 550. 230. (1000 m.s.n.m). (1000 m.s.n.m). 1970 -. 77 1/2. -. 1175. 510. -. 4600. (1000 m.s.n.m). -. -. -. 6700. 900. 26540. -. (1000 m.s.n.m). 612. 306. -. 1675. 740. 1340. 26540. (1000 m.s.n.m). (1000 m.s.n.m). NORMAS. TIPO. ANSI-C29.8 CAMPANA. ANSI-C29.8 CAMPANA. CEI-273. CILINDRICO. CEI-273. CILINDRICO. CEI-273. CILINDRICO. FUENTE: José Raúl Martin, Diseño De Subestaciones Eléctricas.. 34.

(47) 2.6.2 CARGAS DINÁMICAS Se definen como cargas dinámicas todas las cargas que actúan en las barras en forma variable; se consideran en el diseño en forma horizontal o axial[1]. 2.6.2.1 EXPANSIONES TÉRMICAS Una barra de cobre se expande 1.12 pulgadas por 100 pies de longitud con un incremento de temperatura de 100°F. Lo peligroso en las barras colectoras no es la expansión de las barras si no la expansión diferencial entre el material de la barra y la estructura de acero que lo soporta rígidamente, lo que ocasiona esfuerzo excesivo en los aisladores de soporte. Este efecto es aún más pronunciado si las barras colectoras llevan corriente ya que en este caso, el calentamiento se produce solamente en las barras mientras que la estructura permanece estática lo cual produce esfuerzos excesivos en los aisladores, llegándose a romper.. Tabla 2.16 Tabla de coeficientes de expansión lineal de materiales comúnmente usados en las barras colectoras. MATERIAL. ( C)1. (F )1. COBRE. 0.0000166. 0.00000928. ALUMINIO. 0.0000231. 0.0000128. ACERO. 0.0000119. 0.0000067. CONCRETO. 0.0000143. 0.0000079. FUENTE: José Raúl Martin, Diseño De Subestaciones Eléctricas.. Cualquier combinación de estos materiales produce esfuerzos debidos a sus diferentes expansiones térmicas.. 35.

(48) 2.6.2.2 ESFUERZOS MECÁNICOS. Hay otros esfuerzos en las barras que pueden causar ruptura de los aisladores. Estos esfuerzos son de tipo mecánico a saber:   . Impactos debido a la operación de interruptores. Esfuerzos mecánicos debidos a tormentas o huracanes. Esfuerzos diferenciales debidos a asentamientos de las cimentaciones del equipo pesado.. Debido a lo anterior, el diseño de las barras colectoras debe hacerse en tal forma que los esfuerzos no se transfieren a los aisladores soporte o a las boquillas de porcelana del equipo pesado. Para esto, los esfuerzos deben ser absorbidos por juntas de expansión y apoyos deslizantes.. 2.6.2.3 ESFUERZOS ELECTROMAGNÉTICOS.. Estos esfuerzos son producidos por las corrientes de cortocircuito en el sistema que se trate. Un conductor debe tener suficiente resistencia mecánica para soportar también los cortocircuitos que producen una interacción entre la corriente de cortocircuito y su campo magnético produciendo fuerzas que son proporcionales al cuadrado de la corriente de cortocircuito e inversamente proporcional a la separación entre fases. Para el diseño de un bus debe alcanzar un balance económico de acuerdo con los tres puntos básicos siguientes:. . Limitar las corrientes máximas de corto circuito.. . Aumentar la separación entre fases.. . Cambiar los arreglos de los buses.. 36.

(49) Los esfuerzos debido a cortocircuito, que actúan sobre los tubos son principalmente laterales aún hay que tomar en cuenta los esfuerzos longitudinales y los torsionales. Estos esfuerzos los reciben íntegramente los aisladores soporte de la barra. La magnitud de las fuerzas laterales puede expresarse según la fórmula:. 5.4I 2 107  L FK d Dónde:. F  Fuerza lateral en libras I  Valor instantaneo dela corrienteen amperes L = Longitud del claro en pies d = distancia entreejes deconductores de fases diferentes en pulgadas K = Factor de correccion (para tubos=1). En circuitos monofásicos la fuerza máxima bajo condiciones de corto circuito puede darse por la formula siguiente:. I2 W  43.2 107 d Dónde:. W  Fuerza lateralen lb/pie I  Valor efectivodela corrientedecortocircuitosimetricoen amperes d  Distanciaentrecentrosdeconductoresen pulgadas. En circuitos trifásicos la fuerza máxima bajo condiciones de corto circuito puede darse por la formula.. I2 W  37.5 107 d 37.

(50) La separación mínima entre fases diferentes viene dada en teoría, por la distancia de flameo entre dos electrodos en forma de agujas, determinada experimentalmente. En la práctica este valor se amplía para tomar diferentes formas de conductores, características del aire circundante y los esfuerzos mecánicos debidos a los campos magnéticos.. 2.7 FACTORES SECUNDARIOS EN EL DISEÑO DE LAS BARRAS COLECTORAS Existen varios factores inherentes a la forma y condiciones de las barras mismas, que no dependen de las condiciones externas y que son más importantes para determinar la capacidad de corriente que puede llevan un grupo de barras colectoras. Entre estos factores se encuentran lo siguiente[1]. . Efecto corona.. . Radio interferencia.. . Efecto superficial. . Efecto de proximidad.. . Emisividad térmica.. . vibración.. . Corrosión. 2.7.1 EFECTO CORONA. El efecto corona es una descarga causada por la ionización del aire que rodea al conductor cuando este se encuentre energizado. Pude oírse como un zumbido y es visible en la noche como un resplandor violeta. El efecto corona se debe al gradiente de potencial en la superficie de los conductores y es función del diámetro del conductor.. 38.

(51) Los factores que afectan las pérdidas por efecto corona son: El diámetro del conductor, la rugosidad de la superficie del conductor, la humedad del ambiente y la altura sobre el nivel del mar, a la que están instalados los conductores. Las pérdidas en cables durante tiempo lluvioso llegan a ser 12 veces mayores que en tiempo seco. La altitud de 3000 m reduce el nivel de voltaje al cual se inicia el efecto corona, en 32%. Como resultado del efecto corona, el diámetro de un conductor no vendrá definido por la densidad de corriente, sino por la distancia entre apoyos y por dicho efecto corona. Se ha encontrado que el tipo de conductor más eficiente para altos voltajes es el conductor cilíndrico hueco o alguno con núcleo de material relativamente barato, rodeado de una capa de material conductor. 2.7.2 RADIO INTERFERENCIA Se llama radio interferencia al efecto obtenido en una recepción de radio, cuando la relación de la intensidad de campo deseada, a la intensidad de campo indeseable (ruido atmosférico, ruido producido por el hombre o señal de radio) es menor que el valor detectado por el oído humano en la frontera entre lo satisfactorio y lo insatisfactorio.. 2.7.2.1 MÉTODO CLÁSICO DE CÁLCULO A continuación, se ve el procedimiento para determinar si una cierta configuración de. Conductores produce una señal de ruido arriba de un nivel tolerable. Para ello se calcula el voltaje atierra del sistema para un nivel seguro de ruido. Comparando este resultado con el voltaje real que se tiene en la subestación de línea a tierra, se puede saber si los conductores propuestos no causan radio interferencia. El orden por seguir es el siguiente: 1. se calcula el máximo gradiente de superficie unitario (gm) en kV/pulg/Kv a partir de la siguiente formula.. 39.

(52) gm . 2 4h deq Ln ( ) deq. (1). Dónde:. gm  gradiente unitario maximodesuperficie deq  diametroequivalenteen cmdelconductor h  altura media delinea en cm 2. se determina el gradiente de voltaje en el que se inicia el fenómeno de efecto corona con la fórmula de Peek.. ev  21.2 (1 . 0.301 ). . (2). generalmente este gradientese limita a ev  15.8kV / cm, valor eficaz, para tener niveles de radiointerferencia aceptables.. Nota: La ecuación (1) es válida solamente para una configuración de una sola línea aérea, paralela al plano de tierra.. Dónde:. ev  Elgradientedevoltajedela superficiealcual elefecto corona seinicia en kV rms/cm. r  Radio realde un conductor sencillo o eldiametro equivalentesi se usa conductor trenzado,en cm.  = Factor de correccion de la densidad del aire.. 2.7.3 EFECTO SUPERFICIAL Una corriente alterna, al circular a través de un conductor, produce un flujo magnético que genera una fuerza electromotriz que se opone al paso de la corriente y como en el centro del. 40.