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CAPÍTULO III

ESTRUCTURAS Y MONTAJES TIPO PARA REDES

AÉREAS DE MEDIA TENSIÓN CON CABLE PROTEGIDO

3.1 COMPONENTES DE ESTRUCTURAS [11] [24] [27] [28] [29] 3.1.1 ESPACIADORES

Los espaciadores están diseñados para niveles de voltaje de 15kV, 25kV y 46kV,

son fuertes, robustos pero livianos, están hechos con alta densidad de polietileno,

con una alta resistencia al tracking, al desgaste, a la abrasión y a los rayos UV.

Su función es la de sostener y separar a las fases en configuración triangular

mientras el espaciador está suspendido del mensajero.

Cuando la red pasa por el poste el cable mensajero se sujeta mediante una grapa

que viene incorporada a una ménsula tangente, el espaciador se sostiene de la

ménsula mediante un estribo diseñado especialmente para esta aplicación, tal

como se observa en la figura 3, y estos elementos se los detallarán más adelante

en este capítulo,

También constan de un agujero para adhesión de la ménsula antioscilaciones o

antibalanceo, (agujero de acople), en lugares donde el espaciador está adherido

al poste mediante ménsulas.

Mientras que cuando el espaciador está en el vano, como se aprecia en la figura

2, el cable mensajero va en el gancho superior de éste.

Debido a su diseño los espaciadores presentan las siguientes características:

- Son autolavables por lluvia.

Gran longitud de línea de fuga que evita los contorneos.

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- Se minimiza la caída de voltaje debido a que el espaciador es compacto.

Fig 1. Espaciador para cable protegido 25kV. [5]

Los espaciadores tienen una alta resistencia al impacto con arma de fuego (rifle,

pistola), considerando que hay zonas en la ciudad que se pueden considerar

como peligrosas por la existencia de pandillas o robo del cable neutro en redes de

media y baja tensión.

En la parte ecológica, su diseño permite una armonía con el medio ambiente, es

decir, evitando la tala de los árboles al momento en que las ramas topen las

líneas, o tender la red a través de bosques que están protegidos.

Existen varios modelos de espaciadores los cuales se van a detallar a

continuación:

- Espaciadores sin grapas incorporadas

- Espaciadores con grapas incorporadas

- Espaciadores con grapas para desvíos mayores a 20º

- Espaciador para red monofásica

3.1.1.1 Espaciadores sin grapas incorporadas

Este tipo de espaciador asegura a las fases y mensajero mediante anillos de

sujeción (accesorios que se detallarán más adelante).

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Fig 2. Espaciador, red distribución, Iguazú-Brasil.

Este diseño hace ver al ojo del observador como si la red estuviera limpia o

descongestionada, dando solución al problema que existe en algunos sectores de

la ciudad de Quito donde el congestionamiento de cables es tan considerable que

hace muy difícil el mantenimiento de las redes ya que otras empresas utilizan los

mismos postes para instalar sus cables como por ejemplo los cables telefónicos o

televisión por cable.

Fig 3. Espaciador, red distribución, Iguazú-Brasil.

3.1.1.2 Espaciadores con grapas incorporadas

Este modelo tienes las mismas aplicaciones que el modelo anterior, la diferencia

radica en que el espaciador tiene grapas incorporadas para asegurar a las fases y

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al mensajero, haciendo que su montaje y remoción sean más rápidas y sencillas.

Las grapas están diseñadas para sostener todas las secciones de los conductores

y del mensajero.

Fig 4. Espaciador con grapas para el mensajero. [5]

3.1.1.3 Espaciadores con grapas para desvíos mayores a 20º

Una opción para redes con desvíos mayores a 20º es este espaciador, el cual

posee una grapa metálica de sujeción con una especie de articulación giratoria

para que el espaciador quede vertical aunque el mensajero esté inclinado según

la pendiente. [5]

Fig 5. Espaciador para desvíos mayores a 20°. [5]

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3.1.1.4 Espaciador para red monofásica

Fig 6. Espaciador red monofásica 20kV fase-tierra. [5]

Como se observa en la figura 6, el espaciador está diseñado para que la red

tenga una configuración vertical, ya que la red es monofásica y el mensajero va

por arriba de la fase.

Los valores de voltaje para los cuales están diseñados estos espaciadores son de

hasta 20kV fase-tierra.

3.1.2 ANILLOS DE SUJECIÓN

Fig 7.Anillo de sujeción. [5]

Los anillos de sujeción se utilizan en los espaciadores que no vienen con las

grapas incorporadas, como se mencionó anteriormente, son utilizados para

asegurar los conductores y el mensajero al espaciador.

40

Como se observa en la figura 3 los anillos de sujeción pueden reemplazar también

a los estribos (accesorio a analizar más adelante), que sujetan al espaciador a la

ménsula cuando la red pasa por el poste.

Los anillos de sujeción son de goma EPDM (Etileno Propileno Dieno Monómero),

la cual aprieta los conductores firmemente en condiciones de corto circuito y más

aún en condiciones normales de trabajo, su instalación en los espaciadores es

fácil ya sea de forma manual o en caliente.

El EPDM es resistente a la oxidación, a la intemperie, a los agentes atmosféricos

y al calor oscilando su campo de temperaturas entre -15°C y los 130°C.

Por lo que los anillos de sujeción son de larga duración y resistentes a los rayos

ultravioleta.

3.1.3 AISLADORES

3.1.3.1 Aisladores tipo pin

Este tipo de aisladores están hechos de alta densidad de polietileno, su peso es

alrededor de 2lbs, son de color gris con una alta resistencia al tracking,

prácticamente tienen las mismas características constructivas que los

espaciadores.

Son resistentes a golpes o vandalismo con armas de fuego (pistola), según

pruebas que se han hecho por parte de los fabricantes se ha podido comprobar

que aún perforados por causa de proyectil de arma de fuego el aislador sigue en

servicio.

Debido a su diseño, en lo que se refiere a la forma, son auto-lavables por efecto

de la lluvia, además su comportamiento es excelente en ambientes contaminados

debido a este motivo y a que tiene una gran línea de fuga. Otra característica de

los aisladores de polietileno es que evitan el efecto corona.

41

El efecto corona es una manifestación de pérdidas que involucra al campo

eléctrico en la superficie de los conductores cuando excede a la rigidez dieléctrica

del aire. [3]

Por este motivo los aisladores de polietileno se pueden intercambiar con los

aisladores de porcelana en redes con conductores desnudos, pero no se puede

intercambiar aisladores de porcelana con los de polietileno en redes con cable

protegido ya que este efecto deteriora la superficie del cable.

Estos aisladores también se utilizan en redes con cable protegido debido a que la

constante dieléctrica tanto del aislador como de la cubierta del cable es similar,

motivo por el cual no es necesario pelar el cable al momento en que éste pase por

el aislador.

Fig 8.Aislador tipo pin para 25 kV. [5]

Su aplicación está cuando existen ángulos de desvío en la red, para lo cual los

aisladores se instalan sobre ménsulas para ejercer los ángulos que se necesiten,

estos aisladores se aseguran a la ménsula mediante un perno espiga.

Para asegurar el cable a los aisladores se tienen 2 opciones:

- Alambre recubierto para ataduras.

- Aisladores tipo pin con grapas incorporadas.

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3.1.3.1.1 Alambre recubierto para ataduras

Fig 9. Alambre recubierto para ataduras. [5]

Es un alambre de aluminio blando #4 AWG recubierto por una capa de 1.14mm

(0.045”) de espesor, extruida en caucho termoplástico (TPR). [5]

Se debe tener cuidado al momento de realizar el amarre para mantener los

valores de tensión y flecha de los conductores de la red, después de hecho el

amarre, el alambre no tiende a desenrollarse.

Fig 10. Amarre del conductor al aislador. [5]

Dado que este tipo de aisladores también se pueden implementar en redes

desnudas, para asegurar el conductor desnudo al aislador de polietileno se realiza

la misma metodología que con cable protegido, la diferencia es en el cable de

amarre el cual debe de ser desnudo.

3.1.3.1.2 Aisladores tipo pin con grapa incorporada

Este tipo de aislador es una alternativa al método anterior de asegurar los cables

al aislador por medio del alambre para ataduras, ya que el aislador tiene una

grapa para la sujeción de las fases.

43

Fig 11.Aislador tipo pin con grapa incorporada. [5]

Como se observa en la figura la grapa está en la parte superior del aislador,

siendo su ventaja el ahorro de tiempo en el montaje debido a que ya no se realiza

el amarre.

Si se va a montar este tipo de aislador en una red con cables desnudo, los

aisladores deben tener insertos de aluminio en las mordazas de las grapas. [5]

Para asegurar los aisladores a las ménsulas se utilizan los pernos para aislador,

los cuales se detallan a continuación:

- Pernos para aislador o perno espiga La función de los pernos es la de asegurar el aislador a la cruceta o la ménsula.

Existen dos tipos de pernos: pernos para montaje en ménsulas (de cola corta) y

pernos para montaje en crucetas convencionales (de cola larga).

Fig 12. Pernos para aislador. [5]

44

El diámetro de la rosca es de 2.54cm para el perno para aislador montado en

cruceta mientras que para el perno del aislador montado en ménsula el diámetro

de la rosca es 3.4925cm según la norma ANSI.

3.1.3.2 Aisladores para retención

Su núcleo está compuesto por fibra de vidrio el cual proporciona una rigidez

dieléctrica y una buena resistencia mecánica, toda esta parte interna está

revestida por una cubierta polimérica la cual protege al núcleo de la radiación

ultravioleta y de la humedad.

Fig 13. Aislador para retención. [5]

Aunque son prácticamente irrompibles son también muy livianos, el material del

cual están hechos estos aisladores hace que resistan al vandalismo y a la

intemperie, evitan fugas de corriente y tienen buena hidrofobicidad, es decir repele

en su mayoría la humedad que queda en la superficie del aislador.

Estos aisladores de retención cumplen con la función de aislar los conductores de

fase de tierra en los circuitos terminales o estructuras de retención.

3.1.4 SOPORTES DE MONTAJE

Los soportes de montaje que se detallan a continuación son básicamente para la

sujeción del mensajero en redes con ángulos de desviación e excepción del

estribo que es para la sujeción del espaciador en los postes tal como se explicó

en la parte inicial de este capítulo, así como las grapas de retención para

mensajero y para los conductores de fase.

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3.1.4.1 Grapa de retención preformada para mensajero

Fig 14. Grapa de retención preformada para mensajero. [5]

Esta grapa tiene la misma capacidad mecánica del cable mensajero y se utiliza

cuando éste tiene la función de retención por ejemplo en vanos largos, estructuras

terminales o ángulos de desvío de la red, es decir cuando el mensajero se sujeta

del poste.

3.1.4.2 Grapa de retención preformada para conductor

Se utiliza para la retención de los conductores como por ejemplo en las

estructuras terminales o en la transición de red desnuda a red con cable

protegido.

3.1.4.2 Horquillas

Se tiene tres tipos de horquillas:

- Horquilla con pasador

- Guardacabo horquilla

- Guardacabo horquilla para servicio pesado

- Horquilla con pasador Se las utiliza cuando se necesita sostener los aisladores de suspensión a las

ménsulas.

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Fig 15. Grapa de retención preformada para mensajero. [5]

- Guardacabo horquilla Se montan en las curvas de las grapas de retención tanto para las fases como

para el mensajero, el guardacabo horquilla no daña las curvas de las grapas

anteriormente mencionadas.

Fig 16. Grapa de retención preformada para mensajero. [5]

El guardacabo horquilla tiene una carga de rotura de 11000lbs y un peso de 1lb.

- Guardacabo horquilla para servicio pesado Tiene las mismas aplicaciones que el guardacabo horquilla con la diferencia que

el guardacabo horquilla para servicio pesado tiene una mayor carga de rotura con

un valor de 40000lbs, casi cuatro veces mayor que el anterior y un peso de

1.20lbs.

Fig 17. Grapa de retención preformada para mensajero. [5]

47

La Empresa Eléctrica Quito emplea una horquilla de anclaje de 15000lbs de carga

de rotura para redes desnudas, la cual se puede también aplicar en redes con

cable protegido abaratando costos o también con la implementación de la grapa

terminal apernado de aluminio tipo pistola, tal como se observará en la ilustración

gráfica de las estructuras.

3.1.4.3 Estribo para ménsula tangente

El estribo es el que sostiene al espaciador cuando éste va montado en el poste

sujetándolo de su gancho superior, el estribo va debajo de la ménsula.

Este accesorio está construido en fundición maleable y galvanizado por inmersión.

Otra aplicación es en la derivación de las fases al transformador para evitar menor

balanceo de éstas.

3.1.4.4 Grapas para ménsulas

3.1.4.4.1 Grapa de sujeción del mensajero

Como su nombre mismo lo dice esta grapa es la que sujeta al mensajero cuando

la red pasa por el poste, la grapa de sujeción tiene dos muescas de ajuste lo cual

permite una gran variedad de calibres de mensajeros.

Esta grapa está construida en fundición maleable y galvanizado por inmersión.

Debido a las muescas que tiene la grapa, para el tendido de la red se puede

escoger el calibre del mensajero correcto sin el peligro de seleccionar un cable de

menor calibre o correr con un gasto innecesario por optar por un calibre mayor.

A continuación se presenta una gráfica donde se ilustra la estructura formada por

la grapa de sujeción al mensajero y el estribo para ménsula tangente.

48

Fig 18. Estructura: Grapa de sujeción del mensajero – Estribo para mésula tangente. [5]

3.1.5 MÉNSULAS

Son accesorios donde se montan los espaciadores, o aisladores dependiendo del

ángulo de desviación de la red para soportar el tendido del cable.

3.1.5.1 Ménsulas para redes alineadas

Estas ménsulas se implementan en redes alineadas o en desvíos de hasta 6º.

3.1.5.1.1 Ménsula tangente o de alineación

Su construcción se la realiza mediante fundición de aluminio, además como se

explicó anteriormente para la sujeción del mensajero, este tipo de ménsulas

tienen una grapa para dicho fin como se puede apreciar en la figura 21.

Fig 21. Ménsula tangente para 25 kV. [5]

49

Debido a su carga de rotura de 4000lbs, con estas ménsulas se puede realizar el

tendido de vanos largos, es decir mayores a 40m, alineados en forma consecutiva

y los tres conductores a la vez lo cual implica redes con menor número de postes,

los fabricantes de estos tipos de red realizan la instalación de las ménsulas en los

postes mediante pernos pasantes ya que estas redes se instalan en postes de

madera o cuadrados con perforaciones, como se aprecia en la figura 3.

La E.E.Q. no utiliza postes de madera o cuadrados con perforaciones, por lo cual

para fijación de las ménsulas se da como opción a los pernos pasantes los flejes

que tienen una tensión de ruptura de 5500lbs.

3.1.5.1.2 Ménsula antibalanceo

Estas ménsulas están hechas con alta densidad de polietileno y en su extremo

tienen una horquilla para adherirse al espaciador mediante el agujero de acople.

Fig 23. Ménsula antibalanceo para 25 kV. [5]

La aplicación de estas ménsulas, como su nombre mismo lo dice, es la de detener

al espaciador y a través de éste a la red para que no exista balanceo (efecto de

vaivén) debido a efectos del viento, eliminando de esta manera los esfuerzos que

ejercería el sobre los postes.

3.1.5.2 Ménsulas para redes con ángulos de desvío

Todas las clases de ménsulas que se van a ver a continuación tienen un perfil en

U con un ancho de 75mm, todas ellas son galvanizadas por inmersión en caliente

50

después de su construcción y tienen refuerzos de hierro soldados en las esquinas

para aumentar la resistencia a los esfuerzos.

En lo relacionado a la instalación, para nuestro caso, también se va a hacer uso

de flejes al igual que con las ménsula tangentes.

Los tipos de ménsulas que se tiene para esta aplicación son:

- Ménsulas de desvío para redes con un circuito

- Ménsulas de desvío para redes con doble circuito

- Ménsulas de desvío en configuración vertical

- Ménsula de retención terminal

Estas ménsulas se implementan en redes que tienen desvíos de 7º a 90º,

clasificándose en los siguientes ángulos:

Desvíos 7º a 44º

Desvíos 45º a 60º

Desvíos 61º a 90º

Para derivaciones con ángulos comprendidos entre 45º y 60º, con conductores

mayores o iguales a 336.4 AWG se necesita una placa para doble aislador o

pletina de unión en cada fase para poder tener los ángulos de curvatura que

necesita la red, mientras que para ángulos mayores a 60º para cualquier tipo de

conductor se necesita esta placa, cuyas características se explican a

continuación:

- Placa para doble aislador o pletina de unión Como se explicó, este es un accesorio que permite la instalación de 2 aisladores

por fase cuando se tienen ángulos de curvatura fuertes dividiendo el esfuerzo

mecánico en los 2 pernos de los aisladores.

Está construida en fundición maleable y posteriormente galvanizada por inmersión

en caliente. [5]

51

Fig 24. Placa para doble aislador. [5]

3.1.5.2.1 Ménsulas de desvío para redes con un circuito

Como se puede apreciar en la figura 25, este tipo de ménsula mantiene la

configuración original de la red (en triángulo).

Otra aplicación de esta ménsula es para vanos largos en línea recta con retención

del mensajero, en vez de utilizar el espaciador debido a que el mensajero va

retenido al poste mediante el aislador de suspensión.

Fig 25. Ménsulas de desvío para redes con un circuito. [5]

52

3.1.5.2.2 Ménsulas de desvío para redes con doble circuito

Fig 26. Ménsula de desvío para redes con doble circuito. [5]

Esta es una ménsula que se utiliza cuando se tiene una red con doble circuito,

aunque la configuración ya no es triangular sino lineal aún se sigue manteniendo

el espacio compacto entre las fases sin riesgo alguno de ocurrencia de

cortocircuito.

3.1.5.2.3 Ménsulas de desvío en configuración vertical

Aunque este tipo de disposición no se implementa en las redes del sector de

concesión de la Empresa Eléctrica Quito, se la menciona debido a que forma

parte de los implementos de la red con cable protegido, pero para la designación

de las disposiciones tipo no se la tomará en cuenta.

Esta ménsula tiene las mismas aplicaciones y características que el accesorio

anterior sino que en una disposición vertical de los conductores de fase.

53

Fig 27. Ménsula de desvío en configuración vertical. [5]

3.1.5.3 Ménsula de retención terminal

Esta ménsula se utiliza para el fin de circuito, manteniendo la configuración

triangular de los espaciadores, el mensajero se monta por encima de la ménsula

directamente al poste.

Fig 28. Ménsula de retención terminal. [5]

54

3.1.6 EXTENSIONES DE POSTE

Estos accesorios se utilizan para subir las estructuras más allá del alcance del

poste, como por ejemplo cuando las casas se salen de la línea de fábrica tanto

que prácticamente quedan a pocos centímetros del poste y que aún con el cable

protegido pueden correr el riesgo de sufrir alguna descarga, ya que como se sabe

existe una corriente peligrosa pero no letal circulando por la superficie del cable.

Con el fin de minimizar costos nos hemos visto en la tarea de diseñar, si cabe el

término, estructuras híbridas, es decir, combinar accesorios de redes tanto con

cable protegido como de cable desnudo teniendo el mismo efecto de alejar las

redes de los usuario hasta tener las distancias de seguridad necesarias, dichas

estructuras se las va a explicar más adelante en este capítulo.

Aunque no se va a utilizar estos accesorios, se los va a describir con la finalidad

de saber todas las posibilidades que se tiene para el tendido de estas redes.

Todas las extensiones están construidas con un perfil en U de 75mm y

galvanizadas por inmersión en caliente después de su construcción.

Se pueden utilizar en redes con ángulos de desvío o lineales en las que se

requiera altura adicional teniendo en cuenta siempre que las ménsulas que se

escojan deben tener la misma distancia entre los agujeros de sujeción que las

extensiones.

El problema que puede existir con las extensiones es en el momento de tensar al

poste cuando se tienen redes con ángulos de desvío.

3.1.6.1 Extensión de poste simple

La extensión brinda una altura adicional al poste de 305mm o 12plg despejando la

red de los usuarios o de otras redes que pueden estar en el poste, como por

ejemplo las redes de teléfono.

55

Fig 29. Extensión de poste simple. [5]

3.1.6.2 Extensión de poste doble

La diferencia entre la extensión de poste simple y doble es que la segunda tienen

2 largueros en vez de uno para proveer mayor resistencia mecánica a la red. La

extensión de poste doble brinda dos distancias de prolongación:

Distancia 1: 1108mm o 44 “

Distancia 2: 1500mm o 59”

De ahí tienen las mismas aplicaciones que las anteriores.

Fig 30. Extensión de poste doble. [5]

56

Como se observa en la figura 30 se tienen 2 tipos de extensiones de poste doble

dependiendo del tipo de ménsula que se vaya a utilizar.

3.2 ESTRUCTURAS TIPO

Los accesorios que componen cada una de las estructuras tipo así como el

gráfico de ilustración se detallan en el anexo correspondiente, a continuación se

dará una breve explicación de cada estructura de acuerdo a su aplicación.

3.2.1 ESTRUCTURAS TANGENTES

Este tipo de estructura se utiliza para redes lineales o desvíos con ángulos no

mayores a 6º, básicamente se compone de una ménsula tangente, un espaciador

y una ménsula antioscilaciones.

3.2.2 ESTRUCTURAS CON ÁNGULOS DE DESVIACIÓN QUE MENORES A 45º

Para este tipo de estructuras se utilizan las ménsulas para ángulos de desvío

como se analizó anteriormente, con ángulos menores a 45º se necesita un solo

aislador tipo pin por cada fase, tomando en cuenta si los ángulos son internos o

externos.

3.2.3 ESTRUCTURAS CON ÁNGULOS DE DESVIACIÓN MAYORES A 45º

Para redes con ángulos comprendidos entre 45º y 60º este tipo de red utiliza placa

para doble aislador siempre y cuando el calibre de la fase sea mayor o igual a

336,4 AWG mientras que para ángulos mayores siempre se utiliza esta placa. 3.2.4 ESTRUCTURA DERIVACIÓN AL TRANSFORMADOR

La derivación se la realiza directamente de la línea al transformador mediante una

estructura tangente, es decir, ménsulas tangentes, de antibalanceo, espaciadores

ya que el transformador está en el poste.

57

Obviamente se tienen derivaciones a transformadores trifásicos y monofásicos

como se observará posteriormente en los gráficos de las estructuras de montaje.

Para realizar la derivación de las fases al seccionador y de ahí al transformador se

utiliza un cable protegido para derivaciones el cual está cubierto de una capa de

3.8mm de espesor, esta capa está hecha de un compuesto elastomérico flexible

color negro, disminuyendo las salidas de servicio por algún contacto accidental.

A continuación se presenta la forma física del conductor:

Fig 31. Cable para derivaciones. [5]

3.2.5 ESTRUCTURA DE TRANSICIÓN DE RED CON CONDUCTOR DESNUDO

A RED CON CABLE PROTEGIDO

Para esta estructura se utilizan las crucetas convencionales, allí se montan los

aisladores tipo pin los cuales van sujetados por un perno espiga para crucetas

convencionales, además de un aislador de retención para cada fase tanto para la

sujeción de la red desnuda como la red con cable protegido.

3.2.6 ESTRUCTURA DE RETENCIÓN TERMINAL

En esta estructura se utiliza la ménsula especificada anteriormente para esta

aplicación además de los aisladores de retención que también se los utiliza como

fin de circuito.

3.3 ESTRUCTURAS EN VOLADO CON PALOMILLA

En sectores donde no se respete la línea de fábrica y las redes de MT no guarden

58

las distancias de seguridad se debería colocar estructuras en volado con

palomilla.

Basándose en las medidas tanto del espaciador como de las ménsulas que lo

sostienen y las distancias de seguridad normadas por la E.E.Q. que son:

• Distancia de 65cm entre fases.

• Distancia de 65cm de la fase más cercana al poste.

Las medidas de la estructura en volado con palomilla para MT son las siguientes:

La palomilla se sostiene al poste mediante flejes de acero inoxidable y a esta se

asegura las ménsulas con pernos máquina.

Con este tipo de estructura se aleja horizontalmente la red guardando las

distancias de seguridad.

3.3.1 ESTRUCTURA TANGENTE EN VOLADO

Esta estructura se utiliza en redes lineales para lo cual se conforma de una

estructura en tangente sujetada a la palomilla antes mencionada para este tipo de

aplicación.

59

3.3.2 ESTRUCTURA TERMINAL EN VOLADO

Al igual que la estructura anterior aquí se tiene la misma estructura terminal

(ménsula, aisladores de retención, etc.) sostenida de una palomilla.

3.4 DESIGNACIÓN DE DISPOSICIONES TIPO

Con el fin de obtener criterios técnicos para la normalización, en un futuro, de la

implementación y montaje de redes con cable protegido para media tensión e

identificar el campo de aplicación de cada una de las estructuras se va a realizar

la designación de éstas mediante una referencia alfanumérica donde los símbolos

que se anotan a continuación determinan, para cada grupo, las características

básicas del diseño de acuerdo con el siguiente ordenamiento y significado:

Grupo: el proyecto se va a realizar en una red de distribución por lo que:

Red de distribución R

Tensión: la tensión que va a existir en la red es de 22,8kV por lo que:

22,8 GRDY/13,2kV V

Tipo de Red:

Protegida L

Función:

Transición 0

Alineación 1

60

Angular menor de 60º (conf. Triangular) 2

Angular mayor de 60º (conf. Triangular) 3

Terminal 4

Número de Circuitos:

Doble Circuito D

3.5 CÁLCULO MECÁNICO [10]

Esfuerzos a que se hallan sometidas las líneas aéreas.

Las líneas aéreas de las redes de distribución están sometidas a las acciones del

viento y de hielo, como así mismo de las variaciones de temperatura que se

producen durante el día.

Por lo que respecta a los conductores, las acciones indicadas influirán en su

resistencia mecánica, y por ello es necesario que las secciones que se adopten

puedan soportar, dentro de los límites de seguridad tolerados, los esfuerzos a que

se hallan sometidos, para el caso particular de las redes compactas, por ser el

neutro el que soporta en su gran mayoría los esfuerzos mecánicos de la red el

mensajero deberá ser dimensionado tomando en cuenta dichos esfuerzos en la

red.

En cuanto a los apoyos, es preciso que resistan los esfuerzos que sobre ellas

actúan: el peso propio, el peso de la costra de hielo y el esfuerzo producido por la

acción del viento, en la superficie de apoyo expuesto a dicha acción.

3.5.1 CONDUCTORES

Dado que los conductores de fase y mensajero tienen un peso uniformemente

distribuido, si cualquiera de estos se encuentran sujetos entre dos apoyos, se

formará una catenaria, para efectos del presente trabajo se tomará la parábola

como una forma muy aproximada a la catenaria, ya que son muy similares en

61

vanos de hasta 500m, de tal forma que se utilizará de forma indistinta para los

cálculos la ecuación de catenaria o parábola.

Por lo mencionado anteriormente:

2bxaYCxCcoshY

+=

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

En la catenaria el parámetro C es expresado como:

PToC =

Donde:

To: tensión en Kg. en el punto mas bajo del conductor.

P: carga por metro de conductor

Reemplazando el parámetro C en la ecuación de la catenaria:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=TCPxcosh

PToY

Al aproximar a la forma de parábola, la ecuación es:

2Cx

PToY

2CxCY

2

2

+=

+=

Debido a la existencia de la flecha del conductor la longitud del mismo no será

igual a la distancia desde los soportes, por lo que la longitud del cable estará dada

por:

En base a la ecuación de la catenaria:

62

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

2ToPasenh

P2ToL

2Ca2CsenhL

En base a la ecuación de la parábola:

2

22

24ToPaaL +=

La flecha en base a la ecuación de la catenaria se tiene:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

12ToPacosh

PTof

12CacoshCf

La flecha en base a la ecuación de la parábola se tiene:

8ToPa

8Caf

22

==

3.5.1.1 Tensión y esfuerzo en los conductores [30]

Una vez tendido el conductor, el mismo estará sometido a un esfuerzo en

cualquier punto del mismo, por lo que:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=TCPxcosh

PToY

De lo anterior se deduce que para encontrar la tensión del conductor en un punto

cualquiera del mismo, se tiene:

63

TToPxTocoshYPT(x) =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛==

Pero para x =0 → T(x) = To

T(x), en cualquier punto del conductor de abscisa x tiene como componente

horizontal constante, To.

La componente vertical se obtiene de las siguientes expresiones:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

−=

2CaTosenhTv

ToT(x)Tv 22

La tensión TA del conductor en el punto de amarre es mayor que To y están

ligadas ambas por la relación TA- To = P.f.

La tensión máxima se aplica en el punto más desfavorable, en el extremo del

conductor, por lo que:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡==2CacoshTTT OBA

Generalmente en las líneas aéreas la flecha es inferior al 2% de la longitud del

vano correspondiente, y por ello el término P.f tiene un valor reducido y se

considera que TA = To, es decir que existe una tensión prácticamente constante

en los diversos puntos de la curva y que éstas son iguales a la tensión en el punto

más bajo, para el cual la flecha es máximo.

Con la sustitución de la parábola por la catenaria y para vanos menores a 300m,

como es lo usual en la E.E.Q. con flechas menores del 6% del vano, el error que

se comete en la determinación de la flecha es del orden del 0.5%, error que

aumenta con rapidez, y para flechas del orden de un 10% del vano, la ecuación

64

de la parábola da flechas un 2% menores que empleando la ecuación de la

catenaria.

La flecha dada para la instalación; como se verá mas adelante, para líneas con

cable protegido es mucho menor al 2% del vano por lo que el error no será

significativo al considerar TA ≈ To, aunque para cálculos mas precisos se deberá

considerar TA ≠ To.

Los conductores aéreos a más de su propio peso deben soportar otro tipo de

cargas que están relacionados directamente con las condiciones ambientales en

las que se implantará la red.

En el área de concesión de la E.E.Q. los factores a tomar en cuenta y que

someterán a esfuerzos significativos en la línea será el viento, ya que aumenta el

peso unitario del conductor.

A continuación se detallará los efectos que ocasionan principalmente la

temperatura y hielo.

- Temperatura Influye directamente sobre los conductores de las líneas y el mensajero

principalmente, de tal forma que si la temperatura sube aumenta la longitud del

hilo, por tanto la flecha correspondiente, y disminuye la tensión. Por el contrario, si

disminuye la temperatura la flecha se reduce y aumentará la tensión.

- Hielo

El peso específico del hielo es débil, sin embargo, cuando se adhiere al

conductor, el peso de la capa de hielo llega a superar incluso el peso propio del

conductor.

- Viento La presión unitaria del viento en Kg/m sobre el conductor, depende de la

velocidad del viento y el área de sección expuesta al viento, por lo cual existe una

65

relación con la capa de hielo.

Una vez enumerados los factores principales que someterán a la línea a

sobrecargas, podemos obtener expresiones matemáticas que relacionen dichas

sobrecargas.

- Sobrecarga de viento Cuando el viento sopla en dirección transversal a la línea, se ejerce una presión

(fuerza en cada unidad de superficie) sobre los conductores.

La carga unitaria en un conductor debida a la acción del viento (pv), es el

resultado de multiplicar la presión que actúa sobre el mismo por el diámetro del

conductor:

dPvpv *=

Donde:

pv: fuerza o carga unitaria en kp/m en dirección normal al cable y

horizontal.

Pv: presión del viento [kp/m2].

d: diámetro del cable [m].

La carga unitaria total con viento (peso más viento) (Fig. 1), será:

β

Fig.1 Presión del viento sobre superficies cilíndricas.

De la Fig.1 podemos decir que bajo la acción del viento la flecha calculada es

inclinada, en la dirección de pt = pv/p (β: ángulo de oscilación).

66

La flecha vertical es la calculada para p, aunque la que se considera siempre en

los cálculos, para todos los efectos es, la flecha inclinada.

- Sobrecarga de hielo Existen zonas en las que las condiciones meteorológicas y la temperatura

determinan la formación de un manguito o costra de hielo alrededor de los

conductores como anteriormente se mencionó, de tal manera que si CΦ es el

diámetro en milímetros del conductor, con una costra de hielo de e mm de

espesor, la superficie neta de costra de hielo será, Sh:

)(

)(

))((4

C26

h

C2

h

2C

2Ch

ee10SeeS

2eS

Φ+=

Φ+=

Φ−+Φ=

− π

π

π

Considerando que la densidad del hielo es 897.12kg/m3, el peso unitario será:

[kg/m] )ee897.12ph C2 Φ+= (π

El peso unitario total debido al propio cable más el hielo, será:

phppt +=

Si se considerara de forma simultánea sobrecargas por hielo y viento la carga

unitaria total que se tendría se encuentra representada en la siguiente figura:

β

67

Obteniéndose la expresión:

( ) 22 pvphppt ++=

Para el presente proyecto de titulación, el esfuerzo debido a la sobrecarga de

hielo será nulo, debido a que en la mayor parte del área de concesión de la E.E.Q.

no se forma hielo, pero las expresiones analizadas anteriormente deberán

aplicarse si la red atravesara lugares en donde las condiciones climáticas

permitieran formación de la costra de hielo sobre los conductores, por otra parte

será tomado en cuenta la sobrecarga de viento para los cálculos de esfuerzos

mecánicos del conductor.

Utilizando la ecuación de la catenaria y de la parábola se obtiene la siguiente tabla

para el cálculo de la flecha, adicionalmente está una columna con la diferencia

porcentual entre parábola o catenaria.

VANO f EC. CATENARIA f PARÁBOLA DIFERENCIA. PORCENTUAL30 0.01242441 0.01242441 2.2865E-05 35 0.01691101 0.016911 3.1129E-05 40 0.02208785 0.02208784 4.0659E-05 45 0.02795493 0.02795492 5.1454E-05 50 0.03451227 0.03451224 6.3527E-05 60 0.04969768 0.04969763 9.1478E-05 70 0.06764408 0.067644 0.00012451 80 0.08835149 0.08835135 0.00016262 90 0.1118199 0.11181967 0.00020582

3.5.2 ECUACIÓN DE CAMBIO DE CONDICIONES

La ecuación de cambio de condiciones (ecc) o ecuación de cambio de estado

(ece) relaciona dos estados diferentes de un cable tendido entre dos puntos, es

decir, para un cable dado, tendido en un vano de longitud dada, si se conoce la

tensión (y/o la flecha) a una temperatura y una sobrecarga (estado inicial), se

puede conocer la tensión (y/o flecha) a otra temperatura y otra sobrecarga (estado

final).

68

Lo importante de esta ecuación es que nos permite conocer los esfuerzos a

nuevas condiciones climáticas, así como las flechas para cada una de estas

condiciones, para esto debemos definir los estados básicos considerados en la

E.E.Q. definidos en el Informe No.1 realizado para la Empresa.

Tabla 1

Estado I Temperatura mínima: 0°C, sin viento (S/V) Estado II Temperatura: 10°C, viento máximo Estado III Temperatura promedio (EDS): 25°C, S/V Estado IV Flecha máxima: 50°C, S/V

El cálculo de las tensiones y flechas aplicando la ecc se lo realiza para vanos de

40m y 100m del primario 19G en 1km de conductor, su desarrollo se encuentra en

el anexo 5 y los resultados son los siguientes:

• Para el conductor de fase 3x(2/0)+252AWA en un vano de 40m:

Sin viento:

0ºC 25ºC 50ºC T [kg] 1716.03 1506.96 1305.75f [m] 0.27 0.31 0.36

Con viento: 10ºC

T [kg] 1713.17 f [m] 0.43

• Para el conductor de fase 3x(2/0)+0000127AWA en un vano de 100m:

Sin viento:

0ºC 25ºC 50ºC T [kg] 4793.72 4116.42 3487.75f [m] 0.79 0.93 1.09

Con viento:

10ºC T [kg] 4784.31 f [m] 1.15

69

Debido a la ausencia de los cables AWA y AW en el país, se utilizará los cables

HS y EHS.

• Para el conductor de fase 3x(2/0)+3/8HS en un vano de 40m:

Sin viento:

0ºC 25ºC 50ºC T [kg] 1498.44 1255.65 1048.91f [m] 0.32 0.39 0.46

Con viento: 10ºC

T [kg] 1581.37 f [m] 0.47

• Para el conductor de fase 3x(2/0)+1/2EHS en un vano de 100m:

Sin viento:

0ºC 25ºC 50ºC T [kg] 3867.62 3297.79 2809.31f [m] 0.90 1.05 1.20

Con viento: 10ºC

T [kg] 4072.62 f [m] 1.20

3.5.3 POSTES [15]

En la E.E.Q. los postes más utilizados son aquellos conformados de hormigón

centrifugado, aunque en distintas áreas se encuentran otros tipos de poste como

son de madera, metálicos, además de otro tipo de construcción y geometría

utilizando hormigón.

Para el presente estudio se realizarán los cálculos correspondientes para postes

de hormigón centrifugado por ser estos los más utilizados en la E.E.Q.; este tipo

de postes en comparación con los antes mencionados presentan la ventaja de

que su duración es relativamente ilimitada, aunque son mas costosos y debido a

que tienen un peso considerable, aumentarán los gastos de transporte, pero al

70

tratarse de redes protegidas se podría utilizar la postería existente y utilizar los

postes por donde está instalada la red desnuda y colocar adicionalmente una red

compacta reduciendo de forma significativa los costos de instalación para este

tipo de red; un análisis económico mas detallado de la red protegida se verá en el

capítulo IV .

Los postes de hormigón centrifugados se fabrican por un proceso de

centrifugación. En un molde apropiado se colocan las armaduras que constituyen

la parte metálica de la construcción, y una vez relleno de hormigón se imprime al

molde un movimiento rotatorio alrededor del eje longitudinal del poste, y por efecto

de una fuerza centrífuga, el hormigón sufre una fuerte compresión que determina

un aumento de resistencia.

Las armaduras empleadas, en los postes de hormigón, son de hierro cuya carga

de rotura horizontal es de 40 a 42kg/mm2, y el coeficiente de elasticidad

22kg/mm2; es lo común emplear varilla de sección circular, pero puede utilizarse

varilla de sección cuadrada o rectangular.

La dosificación del hormigón para obtener un metro cúbico de este material será:

Gravilla (cuya dimensión mayor sea de 25mm).................... 0.9m3

Cemento Pórtland (de fraguado lento)................................... 300kg

Arena..................................................................................... 0.4m3

Los postes que utiliza la E.E.Q. en la red desnuda con cable calibre 336.4 AWG

son de 11.5m, 500kg y toleran las siguientes tensiones calculadas por medio de la

ecuación de cambio de estado:

71

Red Monofásica

• Para vanos de 40m:

Sin viento:

0ºC 25ºC 50ºC T [kg] 2143.39 1391.3 701.18

Con viento: 10ºC

T [kg] 1856

• Para vanos de 100m:

Sin viento: 0ºC 25ºC 50ºC

T [kg] 2104.16 1422.22 894.78

Con viento: 10ºC

T [kg] 1906.69

Red Trifásica

• Para vanos de 40m:

Sin viento: 0ºC 25ºC 50ºC

T [kg] 6430.17 4173.90 2103.54

Con viento: 10ºC

T [kg] 5568

• Para vanos de 100m:

Sin viento:

0ºC 25ºC 50ºC T [kg] 6312.48 4266.66 2684.34

Con viento: 10ºC

T [kg] 5720.07

72

Con los cálculos obtenidos se justifica el uso de dichos postes en la red de cable

protegido, debido a que las tensiones que soportan los postes son menores que

en red desnuda.

3.6 CRITERIOS TÉCNICOS PARA EL USO DE CABLE PROTEGIDO 3.6.1 AISLAMIENTO

La clase de aislamiento que se asigna para los conductores de fase en redes

compactas es el polietileno reticulado (plástico termoestable), extra limpio, cuya

característica es el incremento de la resistencia a los esfuerzos mecánicos con un

buen desempeño en ambientes húmedos y secos, ya que es el material preferido

por los fabricantes y consecuentemente de mas fácil adquisición en nuestro

medio.

3.6.2 CONDUCTOR DE FASE

El tipo de conductor de fase puede ser de aleación de aluminio 6201 AAAC (All

Aluminium Alloy Conductor) con una conductividad del 52.5% y una densidad de

2.690g/cm³, lo que deriva en una mayor carga a la rotura, caso contrario sería

factible la utilización del conductor de aluminio ASC ó 1350-AAC cuya

conductividad es del 61%, pero se debe tener en cuenta que la relación carga a la

rotura/peso no es muy buena por lo que no es ideal para vanos largos, dichos

conductores son los existentes en el mercado.

3.6.3 CABLE MENSAJERO

El material del cable mensajero sería acero revestido con aluminio cableado con

aluminio 1350-H19, dependiendo del esfuerzo mecánico a realizarse se tiene

mensajero AWA (Alumoweld Aluminium) para cargas de roturas menores o AW

(Alumoweld) para cargas de roturas mayores.

73

Una alternativa a los conductores antes mencionados es el cable high straight

(HS) ó del extra high straight (EHS) respectivamente, son de acero su

conductividad es muy baja y para realizar la función del neutro se necesitaría un

conductor extra.

Los conductores AWA y AW se los puede importar, mientras que los HS y EHS

se los consigue en el país.

3.6.4 COMPOSICIÓN CABLE PROTEGIDO

El espesor y orden de las capas de aislamiento del cable desde el interior al

exterior, según fabricantes y proveedores, son:

- Semiconductor extruido XLPE con un espesor de 0.015” [0.508 mm].

- Capa aislante de XLPE de baja densidad de 0.125” [3.175 mm].

- Capa aislante de XLPE de alta densidad antideslizante resistente al

tracking de 0.125” [3.175 mm].

3.6.5 NORMAS DE REFERENCIA

El cable deberá satisfacer los requerimientos referidos a las siguientes normas o

sus equivalentes para cables aislados:

IRAM: Instituto Argentino de Normalización y Certificación

ICEA: Insulated Cable Engineers Association

IEC: International Electrotechnical Comisión

ASTM: American Society of Testing and Materials

3.6.6 COMPONENTES DE ESTRUCTURAS

3.6.6.1 Espaciadores

El material del cual están hechos los espaciadores es de alta densidad de

polietileno, separa y sostiene las fases en configuración triangular, consta de un

agujero para la sujeción de la ménsula antioscilaciones, puede tener grapas

74

incorporadas para sostener las fases o anillos de sujeción para el mismo efecto y

presenta alta resistencia a los impactos por arma de fuego.

3.6.6.2 Aisladores

- Aisladores tipo PIN El material será de polietileno de alta densidad, resistentes al tracking y a los

impactos por arma de fuego, peso aproximado de 2lbs. Se aplican en estructuras

con ángulo de desvío.

- Sujeción de las fases al aislador Se sostiene las fases al aislador de dos maneras:

• Alambre recubierto para ataduras: alambre de aluminio blando #4 AWG

recubierto por una capa de 1.14mm (0.045”) de espesor, extruida en

caucho termoplástico (TPR).

• Aisladores tipo pin con grapas incorporadas

- Pernos para aislador o perno espiga Se tiene dos tipos de pernos:

• Perno para montaje en ménsula (cola corta), ørosca = 3.4925cm.

• Perno para montaje en cruceta (cola larga), ørosca = 2.54cm.

- Aisladores para retención El material del núcleo es de fibra de vidrio revestida por una cubierta polimérica,

buena resistencia mecánica. Resistencia al vandalismo y a la intemperie, evitan

fugas de corriente y tienen buena hidrofobicidad.

3.6.6.3 Soportes de montaje

- Grapas de retención preformadas Existen dos grapas de retención preformadas:

• Para mensajero: con similar capacidad mecánica del mensajero, se aplican

en vanos largos, estructuras terminales y de desvío.

75

• Para conductor: se aplican en estructuras terminales o de transición.

- Horquillas Existen las siguientes horquillas:

• Horquilla con pasador: sostiene los aisladores de suspensión a las

ménsulas.

• Guardacabo horquilla: se montan en las curvas de las grapas de retención,

carga de rotura 11000lbs y peso 1lb.

• Guardacabo horquilla para servicio pesado: carga de rotura 40000lbs con

un peso de 1.20lbs.

- Estribo para ménsula tangente Se fabrica en fundición maleable y galvanizado por inmersión, sostiene al

espaciador cuando éste va montado sobre el poste.

- Grapas para ménsulas Se presentan dos grapas para ménsulas:

• Sujeción del mensajero: construida en fundición maleable y galvanizado

por inmersión. Sujeta al mensajero cuando éste pasa por el poste.

• Desvío del mensajero: construida en fundición maleable y galvanizado por

inmersión. Se aplican en redes con ángulos de desvío.

3.6.6.4 Ménsulas

Las ménsulas, de acuerdo al ángulo de desviación de la red son:

- Para redes alineadas

• Ménsula tangente: hecha de fundición de aluminio. Carga de rotura de

4000lbs. Montaje en el poste para sostener el mensajero y al

espaciador.

• Ménsula antibalanceo: hecha de alta densidad de polietileno. Instalada

en los postes para la sujeción del espaciador en su parte inferior y no

exista balanceo.

- Para redes con ángulos de desvío de 7º a 90º

76

General: tienen un perfil en U con un ancho de 75mm, galvanizadas por

inmersión en caliente después de su construcción.

• Ménsulas de desvío para redes con un circuito: refuerzos de hierro

soldados en las esquinas.

• Ménsulas de desvío para redes con doble circuito: refuerzos de hierro

soldados en las esquinas.

• Ménsulas de desvío en configuración vertical

• Ménsula de retención terminal: para final de circuito.

- Placa doble aislador o pletina de unión: está construida en fundición

maleable y posteriormente galvanizada por inmersión en caliente. Permite

el montaje de 2 aisladores por fase para ángulos de desviación fuertes.

3.6.6.5 Extensiones de poste

Las extensiones de poste se construirían con un perfil en U de 75mm y

galvanizadas por inmersión en caliente después de su construcción. Despejan la

red de los usuarios o de otras redes que estén en el poste.

Las extensiones de poste son:

- Simple: altura adicional de 305mm.

- Doble: 2 distancias de prolongación 1108mm y 1500mm.

3.6.6.6 Estructuras Tipo

Se propone las siguientes estructuras tipo:

- Estructuras tangentes: compuestas por la ménsula tangente, antibalanceo

y el espaciador, van montadas en los postes para redes lineales.

- Estructuras con ángulos de desvío menores a 45º: compuestas por

ménsulas para redes con ángulos de desvío, un aislador tipo pin por fase.

Estructuras con ángulos de desvío mayores a 45º: compuestas de las mismas

ménsulas anteriores pero en este caso se necesitan 2 aisladores tipo pin por fase

y por ende 3 placas doble aislador.

77

- Estructura para derivación al transformador: básicamente es la estructura

tangente, en la cual las fases se derivan al transformador.

- Transición red desnuda-red protegida: se componen de las crucetas

convencionales, aisladores tipo pin pero con pernos espiga para montaje

en cruceta, pararrayos y aisladores de retención para cada fase tanto del

lado de la red desnuda como de la protegida.

- Estructura terminal: se compone por la ménsula terminal y por los

aisladores de retención.

3.6.6.7 Estructuras en Volado con Palomilla

Las estructuras en volado con palomilla cumplen con las distancias de seguridad,

alejando horizontalmente la red.

3.6.6.8 Montaje de estructuras

La sujeción de las ménsulas tanto alineadas como de desviación se sostienen

mediante flejes de acero inoxidable de:

• 19.1mm de ancho y 0.76mm de espesor (ménsula antibalanceo).

• 31.8mm de ancho y 0.76mm de espesor (resto de ménsulas).

3.6.6.9 Instalación en zonas urbanas

Se sitúa la red compacta en donde no se cumpla con las distancias de seguridad,

debido a que la corriente de descarga no sobrepasa 25mA, por lo que el ser

humano no sufre electrocución si llega a tocar accidentalmente el cable.

3.6.6.10 Instalación en bosques

Se ubica la red compacta en bosques, ya que si existe algún toque de ramas no

se produce una suspensión del suministro eléctrico, además de contribuir con la

preservación del medio ambiente evitando la tala innecesaria de árboles.

78

3.6.6.11 Esfuerzos mecánicos

Los límites de los esfuerzos mecánicos se basan en los valores establecidos en

las normas de la EEQ:

- La tensión que soporta el mensajero no debe pasar del 33% del valor de

rotura del cable.

- El valor de la flecha no debe ser mayor al 1,2% de la distancia del vano.

Las condiciones anteriores se deben cumplir independientemente del escenario

climático (viento y temperatura) dispuesto por la EEQ para los correspondientes

cálculos.