aislamiento cÁlculo mecÁnico – aislamiento y herrajes · calculo de aislamiento cÁlculo...

AISLAMIENTO CÁLCULO MECÁNICO – AISLAMIENTO Y HERRAJESTEMA 4.2 - 1 LÍNEAS ELÉCTRICAS 3º ITIE

– Se instalan entre el conductor desnudo y las partes del apoyo puestas a tierra– Tienen la doble misión de fijar mecánicamente los conductores, además de aislarlos de tierra– Se deben diseñar para soportar la condición climática de servicio más desfavorable,

temperatura, humedad, niebla, polución....– Tienen que soportar la carga mecánica más desfavorable según las hipótesis de carga

reglamentarias con el coeficiente de seguridad adecuado

– Es la selección de la rigidez dieléctrica de los materiales en función de las tensiones que pueden aparecer, teniendo en cuenta las condiciones climáticas y los dispositivos de protección disponibles

– Las diferentes sobretensiones que pueden aparecer determinan el nivel de aislamiento necesario

– Esta descrito en las normas UNE-EN 60071-1 y –2– Las tablas 12 y 13 del Reglamento muestran los aislamientos normalizados

Introducción

Coordinación de aislamiento

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO CÁLCULO MECÁNICO – AISLAMIENTO Y HERRAJESTEMA 4.2 - 2 LÍNEAS ELÉCTRICAS 3º ITIE

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO CÁLCULO MECÁNICO – AISLAMIENTO Y HERRAJESTEMA 4.2 - 3 LÍNEAS ELÉCTRICAS 3º ITIE

Gama II (400kV) Tensión soportada a maniobra y a impulso tipo rayoGama I (resto tensiones) Tensión a frecuencia industrial y a impulso tipo rayo

• La tensión permanente a frecuencia industrial y las sobretensiones temporales determinan la longitud de cadena de aisladores

• La forma de estos aisladores se determinará en función del grado de polución en la zona• El Reglamento distingue cuatro zonas de polución, sus características y la línea de fuga específica

nominal se expresan en la tabla 14

ZONAS DE POLUCIÓN CÁLCULO MECÁNICO – AISLAMIENTO Y HERRAJESTEMA 4.2 - 4 LÍNEAS ELÉCTRICAS 3º ITIE

AISLAMIENTO CÁLCULO MECÁNICO – AISLAMIENTO Y HERRAJESTEMA 4.2 - 5 LÍNEAS ELÉCTRICAS 3º ITIE

Las cadenas de aisladores deben soportar los esfuerzos mecánicos que los conductores les ejercen– Cadena horizontal de amarre: Debe soportar la tensión mecánica del cable– Cadena vertical de suspensión

• Debe soportar el esfuerzo de viento o hielo, o viento+hielo: la más desfavorable• Debe soportar el esfuerzo de rotura de conductores

ESFUERZOS MECÁNICOS

ELECCIÓN DE CADENA DE AISLADORESPor tanto para la elección de la cadena de aisladores se deben tener en cuenta tres factores

– El aislamiento normalizado según la tablas 12 y 13 del Reglamento– La línea de fuga en función de la polución en la zona– Los esfuerzos mecánicos máximos que soportan

TIPOS DE AISLADORESSe utilizan varias tecnologías para el aislamiento

– Cerámicos: El más antiguo actualmente en desuso en líneas eléctricas aéreas– Vidrio: El más utilizado en la actualidad, una tecnología muy consolidada– Material compuesto: Son los más modernos y cada vez más utilizados. En los primeros tiempos tenían

problemas con la radiación UV y el envejecimiento pero han mejorado considerablemente

TIPOS DE AISLADORES CÁLCULO MECÁNICO – AISLAMIENTO Y HERRAJESTEMA 4.2 - 6 LÍNEAS ELÉCTRICAS 3º ITIE

Elemento aislador vidrio

Aislador compuesto:


AISLAMIENTO DE VIDRIO• Las cadenas están formadas por varios elementos unitarios de vidrio templado• El nivel de aislamiento se consigue utilizando más o menos elementos de aislador• En la norma UNE-EN 60305 y UNE-EN 60433 se recogen las características de los elementos de cadenas de

aisladores de vidrio o cerámicos

Rótula y alojamiento de rótula: es el más utilizado. El acoplamiento entre elementos está marcado en

la norma CEI 120 (d1)Horquilla y lengüeta. El acoplamiento está

especificado en la norma CEI 471

• Existen dos tipos de acoplamiento entre aisladores


AISLAMIENTO DE VIDRIO: ACOPLAMIENTO ROTULA - ALOJAMIENTO DE ROTULA

B: Acoplamiento de caperuza y vástago S / L: Paso Corto (small) / Largo (long) P: Zona contaminada polucionada


AISLAMIENTO DE VIDRIO: ACOPLAMIENTO HORQUILLA Y LENGÜETA

B: Acoplamiento de Horquilla y lengueta

CALCULO DE AISLAMIENTO CÁLCULO MECÁNICO – AISLAMIENTO Y HERRAJESTEMA 4.2 - 10 LÍNEAS ELÉCTRICAS 3º ITIE

• Primero se escoge un esfuerzo de rotura electromecánico especificado, función de los esfuerzos a los que estará sometida la cadena de aisladores, con coeficiente de seguridad 3 o 2,5 si se realiza control en la recepción. (art 3.4)

• Posteriormente se calcula el número de elementos a utilizar en función del nivel de contaminación en la zona dada la línea de fuga específica

• Por último se comprueba que con ese número de elementos se cumplen los niveles de aislamiento

Se necesita calcular el aislamiento en vidrio para una línea de conductor 337-AL1/44-ST1A con un conductor por fase para una tensión nominal de 132kV en una zona cercana al mar.

Pasos de calculo:

Ejemplo:

CÁLCULO MECÁNICO – AISLAMIENTO Y HERRAJESTEMA 4.2 - 11 LÍNEAS ELÉCTRICAS 3º ITIE

CONDUCTORES ALUMINIO - ACERO (UNE 50182)

CALCULO ELECCCION DE AISLADORES DE VIDRIO


Lo primero es calcular la carga de rotura del aislador.

TmaxσrotCS

= 107.18kN2.5

= 42.87kN=


Dado que el 337-AL1/44-ST1A (LA-380 GULL) tiene una carga de rotura de 107,18kN y su coeficiente de seguridad será como mínimo de 2,5 el tense del conductor máximo será

La cadena de amarre debe soportar este esfuerzo con el coeficiente de seguridad reglamentario

CMEamCS

42.87kN>

Debemos elegir un elemento aislador con una carga mayor de 128kN, por tanto en la tabla de aislamientos normalizados:

CME: carga mecánica especificada


Se suele elegir aislamiento BS (small)Realizaremos el cálculo para el aislador U 160BSAhora se calcularán los elementos necesarios para conseguir línea de fuga suficiente

ZONAS DE POLUCIÓN

El nivel III es el elegido, la línea de fuga será 25mm/kV




Para una tensión más elevada de la red de 145kV (fase fase) es necesaria una línea de fuga (fase tierra) total de:

145kV 25⋅mmkV

3.625 m=

NumBS3.625m315mm

:= NumBS 11.508=

Dado que cada elemento BS tiene una línea de fuga 315mm

Por tanto es necesario utilizar 12 aisladores U160BS

Ahora se comprobará que con esos aisladores se cumple la coordinación de aislamiento en cuanto a las tensiones normalizadas

Se utiliza la norma CEI-383

El tamaño del aislador U 160BS es de 280x146mm


Por tanto se obtienen unos valores:– A frecuencia industrial 405kV– A impulso tipo rayo 900kV

Los valores normalizados son

Valores muy inferiores a los que soporta la cadena

Hay que añadir los herrajes con acoplamiento 20 y carga de rotura similar a la cadena, mayor de 128kNSe podría realizar el mismo estudio para la cadena de suspensión, pero se suele utilizar el mismo tipo

12 146⋅ mm 1.752 m=

Por tanto una cadena con 12 elementos U 160BS cumple con los requerimientos en cuanto a esfuerzos mecánicos y eléctricosLa longitud total de la cadena es:


TIPO DE AISLADORES DE VIDRIO CÁLCULO MECÁNICO – AISLAMIENTO Y HERRAJESTEMA 4.2 - 18 LÍNEAS ELÉCTRICAS 3º ITIE

Existen otros tipos de elementos aisladores para diferentes aplicaciones

Aerodinámicos, recomendado para zonas desérticas, al no tener enervadurasdonde se puedan depositar residuos

Esféricos, Dificulta el deposito de residuos y facilita la autolimpieza con agua de lluvia

AISLADORES COMPUESTOS CÁLCULO MECÁNICO – AISLAMIENTO Y HERRAJESTEMA 4.2 - 19 LÍNEAS ELÉCTRICAS 3º ITIE

• Tiene un núcleo de resina epoxi reforzada con fibra de vidrio, unas terminaciones de material metálico (aluminio o acero) y un recubrimiento exterior de goma silicona

• Norma UNE-EN 61466-1 y 61466-2 define las características de estos aisladores

• Normalmente se emplean en condiciones de polución alta o gran contaminación salina

• Tienen ventajas en cuanto a autolimpieza del aislador con viento y agua de lluvia, ya que revestimiento de goma silicona tiene mucha hidrofobicidad, capacidad de formar gotas

• Su peso es muy inferior al asilamiento de vidrio, por lo que facilita las operaciones de mantenimiento y montaje

• El problema del envejecimiento por UV del revestimiento y roturafrágil del núcleo está siendo superado con nuevos compuestos

AISLADORES COMPUESTOS CÁLCULO MECÁNICO – AISLAMIENTO Y HERRAJESTEMA 4.2 - 20 LÍNEAS ELÉCTRICAS 3º ITIE

HIDROFOBICIDAD

Está comprobado que la hidrofobicidad es muy importante para un comportamiento fiable en ambientes contaminados

Comportamiento hidrofílico de la superficie Comportamiento hidrófobo de la superficie

AISLADOR COMPUESTO (UNE-EN 61466-1) CÁLCULO MECÁNICO – AISLAMIENTO Y HERRAJESTEMA 4.2 - 21 LÍNEAS ELÉCTRICAS 3º ITIE

La norma UNE-EN 61466-1 define las clases mecánicas y acoplamientos extremos

Normalmente se utiliza acoplamiento SB (idéntica al vidrio)

En media tensión se suele utilizar YBEn cuanto a las clases mecánicas (Carga mecánica especificada CME en kN) son iguales que en aislamiento vidrioEl acoplamiento lo fija la norma CEI correspondiente

ACOPLAMIENTOS AISLADORES COMPUESTOS CÁLCULO MECÁNICO – AISLAMIENTO Y HERRAJESTEMA 4.2 - 22 LÍNEAS ELÉCTRICAS 3º ITIE

Diferentes acoplamientos utilizados


AISLADOR COMPUESTO (UNE-EN 61466-2)

En esta norma se proporcionan las características dimensionales y eléctricas de este tipo de aisladoresPara seleccionar un aislador además de la carga mecánica y el acoplamiento hay que definir la línea de fuga y la tensión soportada a impulso tipo rayoLos valores de tensiones tipo rayo son coincidentes con la tabla definida en la norma UNE-EN 60071


AISLADOR COMPUESTO (UNE-EN 61466-2)


EJEMPLO DE ELECIÓN DE AISLAMIENTO COMPUESTO

• Si utilizamos el ejemplo anterior para un conductor 337-AL1/44-ST1A una tensión nominal de 132kV en una zona cercana al mar, ya sabemos que necesitamos una CME de 160kN y una línea de fuga mínima de

• El acoplamiento será el mismo que en el caso de vidrio, de este modo podrán ser intercambiables

145kV 25⋅mmkV

3.625 m=

El aislador elegido esCS160SB-650/3920

Soporta una tensión tipo rayo de 650kV, suficiente para la máxima tensión de la tabla 12 del RLAT


CRUCETAS AISLANTES PIVOTANTES

• Ofrecen una gran compactación de las líneas de alta tensión

• Únicamente se pueden utilizar en apoyos de alineación• Se pueden repotenciar elevando la tensión líneas

existentes


ENSAYOS DE AISLAMIENTO

• Se definen tres tipos de ensayos– De tipo: Comprueban la capacidad de un aislador dependientes de su diseño. Se realizan una vez

sobre un nuevo diseño– Sobre muestras: Ensayos de recepción de muestras al azar de un lote– Individuales: Se efectúan sobre la totalidad de los aisladores en fábrica, se eliminan los defectuosos


ENSAYOS AISLAMIENTO VIDRIO

• La norma UNE-EN 60383-1 define los ensayos a realizar en aisladores cerámicos o de vidrio:– A impulso tipo rayo (de tipo)– A frecuencia industrial bajo lluvia (de tipo)– A la perforación (sobre muestras)– Eléctrico (individual)– Rotura electromecánica (de tipo y sobre muestras)– Rotura mecánica (de tipo y sobre muestras)– Endurancia termomecánica (de tipo)– Verificación del desplazamiento (sobre muestras)– Verificación del sistema de enclavamiento (muestras)– Resistencia a variaciones bruscas de temperatura (sobre muestras)– Choque térmico (sobre muestras)– Ausencia de porosidad (sobre muestras)– Galvanizado (sobre muestras)– Examen visual (individual)– Examen mecánico (individual)

• Además de los ensayos que se realizan a la cadena equipada UNE-EN 60383-2:– Tipo rayo en seco– A frecuencia industrial bajo lluvia– A impulso maniobra bajo lluvia

• La norma UNE-EN 61211 define los ensayos de perforación con tensión de impulso en el aire


ENSAYOS AISLAMIENTO COMPUESTOUNE-EN 21909

• La norma UNE-EN 21909 define los ensayos a realizar en aisladores compuestos:– De tipo o de diseño

• Control dimensional (sobre plano)• Ensayo mecánico• Tensión frecuencia industrial en seco• Supresión brusca de carga• Termomecánico• Ensayo penetración de agua (agua hirviendo)• Inspección visual (fisuras)• Impulso frente escarpado• Tensión soportada• Ensayo carga-tiempo• Carga de rotura del núcleo• Pendiente de la curva carga-tiempo• Ensayo de revestimiento (caminos conductores y erosión)• Penetración de colorante• Impulso tipo rayo en seco• Tensión frecuencia industrial en bajo lluvia• Impulso de maniobra bajo lluvia

– De muestreo• Verificación de dimensiones• Verificación de acoplamiento• Verificación de carga mecánica especificada• Galvanización

– Individuales• Examen visual• Ensayo mecánico individual


HERRAJES

• Son los encargados de la fijación del aislamiento al apoyo por un lado y al conductor por otro

• Normalmente son de acero galvanizado• Están sometidos a la misma tensión mecánica que los aislamientos• Deben tener un coeficiente de seguridad 3 o 2,5 (Articulo 3.3)• La norma UNE 207009 define los herrajes normalizados


HERRAJES SUPERIORES

Horquilla bola Anilla bola

Horquilla Alargadera


HERRAJES INFERIORES

Rotulas

Grapa de amarre

Grapa de suspensión


HERRAJES INTERMEDIOS

Grillete revirado

Yugo

Descargador raqueta

Grillete recto


ELECCION DE HERRAJES

El herraje debe tener carga de rotura suficiente para soportar los esfuerzos mecánicos a los que será sometido

El coeficiente de seguridad será 2,5 o 3 dependiendo de la comprobación mediante ensayos de la carga de rotura (Articulo 3.3)

Deberá tener la misma norma de acoplamiento que el aislamiento para poder ajustarse al mismo


GRAPAS DE SUSPENSION

• La grapa de suspensión típica GS (UNE 207009) utilizada en función del diámetro del conductor

• Grapa de suspensión reforzada– Cuando existe un cruzamiento (Articulo 5.3) el reglamento obliga a utilizar disposiciones adicionales:

• El coeficiente de seguridad será un 25% superior• La más habitual es utilizar grapa de suspensión con varillas de protección llamada GSA


GRAPAS DE AMARRE TÍPICA

• La grapa de amarre típica GA (UNE 207009) utilizada en función del diámetro del conductor


GRAPAS DE AMARRE DE COMPRESIÓN

• Existen grapas de amarre de tipo compresión que producen mayor fiabilidad tanto eléctrica como mecánica

• Son piezas tubulares que producen compresión hexagonal– 1 Pieza tubular AL– 2 Embolo AC galvan– 3 Derivación AL– Palas (2 o 4 tornillos)


COMPOSICION DE CADENAS

• Media tensión suspensión• Aislamiento vidrio

– Horquilla bola en Y– Aislador vidrio (rótula y alojamiento de rótula)– Rotula corta– Grapa de suspensión o suspensión preformada

• Se pueden utilizar alargaderas para dar más distancia RD 263/2008



• Media tensión suspensión• Aislamiento compuesto

– Aislador compuesto acoplamiento YS– Rotula corta– Grapa de suspensión o suspensión preformada



• Media tensión amarre• Aislamiento vidrio

– Horquilla bola en Y– Aislador vidrio– Rotula– Grapa de amarre

• Adicionalmente se utiliza alargadera cumplir RD 263/2008, Longitud mayor 1metro



• Media tensión amarre• Aislamiento compuesto

– Aislador compuesto acoplamiento YS– Rotula– Grapa de amarre

• Se pueden utilizar alargaderas para cumplir RD 263/2008



• En alta tensión y líneas de más fiabilidad se utilizan algunas variantes:– Utilizar grillete recto y anilla de bola en lugar de horquilla en Y con mayor carga de rotura– Utilizar grapa de suspensión armada– Utilizar grapa de amarre de compresión– Utilizar descargadores– Aislamiento polimérico acoplamiento BS– No hacen falta alargaderas para cumplir RD268, con la longitud de la cadena suficiente

• Cadena de suspensión 132kV aislamiento vidrio– Grapa de suspensión armada– Rotula corta– Aislador vidrio– Anilla bola– Grillete recto



• Cadena de amarre 132kV aislamiento vidrio– Grapa amarre de compresión– Grillete recto– Rotula corta– Aislador vidrio– Anilla bola– Grillete recto



• Para cadenas con dos conductores por fase se suele utilizar:• Suspensión: Una sola cadena de aisladores yugo y dos grapas• Amarre: Dos cadenas en paralelo



Cadenas de suspensión pivotante

Cadenas de suspensión

vidrio

polimérico



Cadenas de amarre


ACCESORIOS

•Adicionalmente la línea tiene elementos con distintas funcionalidades:

–Amortiguadores

–Separadores

–Dispositivos salvapajaros

–Empalmes de compresión

–Balizas


ACCESORIOS - AMORTIGUADORES

• Suelen ser del tipo Stockbrige• Su misión es atenuar la vibración producida por el viento sobre los conductores• Se instala en los conductores cerca del punto de engrape de la cadena• El tipo, número y colocación depende de varios factores:

– Longitud vano– Tipo de conductor– Tensión EDS


ACCESORIOS - SEPARADORES

•Tienen por misión separar los conductores de la misma fase en líneas con múltiples conductores por fase

•Pueden tener amortiguamiento


ACCESORIOS - EMPALMES DE COMPRESIÓN

• Sirve para realizar empalmes en el conductor conservando la tracción de rotura• Tienen un 95% de la tracción máxima del cable• No se pueden utilizar en vanos con cruzamiento o más de 2 empalme por vano• Utilizan compresión hexagonal


ACCESORIOS - BALIZAS LUMINOSAS

• Su misión es señalizar el cable en entornos aeroportuarios• Emiten una luz roja de diferentes intensidades• Únicamente cables de potencia• Existen dos tipos

– Acoplamiento inductivo– LED electrónico efecto campo eléctrico (SAPREM)


DISPOSITIVOS SALVAPAJAROS

• Son otro tipo de baliza utilizado en zonas sensibles para la avifauna• Es un dispositivo anticolisión de aves• Suele ser de tres tipos

Espirales 1metro rojas

Tiras de neopreno negro

Bolas redondas amarillas


DISPOSITIVOS SALVAPAJAROS

Fabricantes de herrajes:

•PLP

•ARRUTI

•INAEL

•SAPREM

•MADE

Fabricantes de Aisladores:

•SGD la granja

•FCI (CATALOGO) COTECSA


Ejercicio 1

Diseñar la cadena de aisladores en suspensión completa de una línea de 45kV, con conductor LA-180, situada en zona de elevada densidad de viviendas. Teniendo en cuenta:

•Distancia a masa (Del) en líneas de 45kV (Buscar punto 5.2, ITC-LAT-07).

•Coeficiente de seguridad del conductor = 3.

•Usar catalogo Aisladores y herrajes INAEL.

•Aislador de vidrio caperuza – vástago.

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