Introducción
Las torres de transmisión (torres eléctricas) transportan grandes cantidades de corriente de alto voltaje a largas distancias. Estas estructuras suelen tener entre 16 y 45 metros de altura, con las torres más altas alcanzando los 380 metros. Las torres de transmisión conectan plantas de energía a una serie de subestaciones, lo que permite que una región de energía del sistema se conecte con otra.
Torres de Transmisión
Los voltajes más altos en las líneas de energía requieren espacio entre cada línea y otros objetos, permitiendo que personas, vehículos y otros equipos se muevan libremente por debajo. Los conductores activos de la torre están soportados por aisladores, cuya longitud aumenta con el aumento del voltaje del circuito. Por esta razón, las torres de transmisión suelen tener entre 16 y 45 metros de altura, o más si atraviesan cuerpos de agua u otros abismos naturales.
La mayoría de las estructuras de las torres están fabricadas de acero, pero algunas están hechas de hormigón, madera o incluso hierro dúctil. Los postes de distribución de madera, que se encuentran en barrios locales (a menos que se utilicen líneas eléctricas subterráneas), generalmente tienen unos 12 metros de altura. Los voltajes de transmisión suelen estar entre 23,000 voltios y 765,000 voltios.
Desde una perspectiva mecánica, los conductores de una torre se comportan como cables cuyo pandeo entre sus puntos de soporte depende de la temperatura y la pretensión del conductor. Las fuerzas de tracción en el conductor tienen un gran efecto en el diseño de una torre.
Pandeo y Despeje de la Torre de Transmisión
Conductores de la Torre de Transmisión
Los conductores de la torre de transmisión se fabrican generalmente a partir de cable de aluminio reforzado con acero (ACSR-Aluminium Conductor Steel-Reinforced) y casi siempre se disponen en conjuntos de tres para la transmisión de corriente alterna trifásica (3~); un cuarto cable neutro puede usarse para transmisión a corta distancia, pero esto no es común.
Los conductores se agrupan por fase. Podría haber una línea de conductor por grupo (tres en total), dos líneas de conductor por grupo (seis en total), o más. Los grupos se instalan en múltiplos de tres, es decir, 3, 6, 9, y pueden disponerse en una forma triangular o paralela entre sí.
Configuraciones de Paquetes de Conductores de la Torre
La agrupación en tres vías aumenta la eficiencia de transmisión. Sin embargo, si miras la parte superior de una torre de transmisión, puedes ver uno o dos cables más pequeños y solitarios. Estos cables tienen varios nombres, cable de tierra aéreo, cable estático o cable piloto, pero todos describen el mismo cable. Un cable de tierra aéreo (cable estático / cable piloto) absorbe o desvía rayos, conduciendo la electricidad de manera segura al suelo. En condiciones normales, el cable aéreo no transporta electricidad (su potencial de voltaje es 0).
Algunos cables de tierra aérea están agrupados con cables de fibra óptica que transmiten datos de telecomunicaciones. Esencialmente hechos de vidrio, los cables de fibra óptica no pueden conducir electricidad y no se ven afectados por los rayos.
Alternativamente, puedes notar fibras ópticas corriendo a unos pocos pies (<1m) por debajo de los conductores de transmisión. Agregar líneas de telecomunicaciones aumenta el retorno de la inversión asociado con la construcción de redes de transmisión. Las líneas de fibra óptica pueden ser operadas por la empresa de servicios públicos o arrendadas a compañías de cable o teléfono.
Trabajadores Instalando un Cable de Fibra Óptica
Estructuras de Torres de Transmisión
Las estructuras comúnmente utilizadas en líneas de transmisión son de tipo celosía o de tipo poste. Las estructuras de celosía suelen estar compuestas de secciones angulares de acero. Los postes pueden ser de madera, acero o hormigón. Cada tipo de estructura puede ser autoportante o arriostrada (soportada por cables).
Estructura de la Torre de Transmisión
Las estructuras de tipo poste se utilizan generalmente para voltajes de 345 kV o menos, mientras que las estructuras de acero de celosía se prefieren para niveles de voltaje más altos. Las estructuras de postes de madera pueden usarse económicamente para distancias de transmisión relativamente cortas y voltajes más bajos.
La configuración de una torre de línea de transmisión depende de muchos factores, algunos se enumeran a continuación:
- El número y tipo de conductores.
- La longitud del conjunto de aisladores.
- Las distancias mínimas a mantener entre conductores y la torre.
- La ubicación de los cables de tierra con respecto al conductor más externo.
- El despeje a mitad de vano requerido considerando el comportamiento dinámico de los conductores y la protección contra rayos de la línea.
- La distancia mínima del conductor más bajo sobre el nivel del suelo.
Los factores que determinan la altura de una torre son:
- Despeje mínimo permisible del suelo (h1).
- Pandeo máximo (h2).
- Espaciado vertical entre los conductores superior e inferior (h3).
- Despeje vertical entre el cable de tierra y el conductor superior (h4).
La altura total de la torre se da por la suma de los cuatro factores (h1+h2+h3+h4).
Estructura de la Torre de Transmisión
Configuración de la Torre
Dependiendo de los requisitos del sistema de transmisión, deben considerarse varias configuraciones de línea que van desde estructuras horizontales de circuito único hasta estructuras verticales de múltiples circuitos, con cadenas simples o en V en todas las fases, así como cualquier combinación de estas. Además, para voltajes muy altos (500 kV y más), los conductores se agrupan para reducir la emisión de corona y reducir la inductancia de la línea.
La configuración de una torre de línea de transmisión depende de muchos factores, algunos de los más importantes se enumeran a continuación:
- Voltaje.
- Número de circuitos.
- Tipo de conductores.
- Tipo de aisladores.
- Posible adición futura de nuevos circuitos.
- Rastreo de la línea de transmisión.
- Selección de sitios para torres.
- Selección de puntos rígidos.
- Selección de la configuración del conductor.
- Selección de la altura para cada torre.
Las torres se clasifican según su uso, independientemente del número de conductores que soporten. Una torre debe soportar cargas mecánicas desde una variedad de direcciones, por ejemplo, recta, en ángulo, etc. Para simplificar el diseño de la torre y asegurar una economía general en costo y mantenimiento, los diseños de torres generalmente se limitan a unos pocos tipos estándar.
Tipos de Torres de Transmisión
Existen varios tipos de torres de transmisión y muchas variaciones, pero pueden agruparse aproximadamente como:
- Torres de Suspensión – los conductores se suspenden entre dos torres usando aisladores de suspensión.
- Torres Terminales – los conductores de una línea de transmisión se conectan a una subestación o cable subterráneo a través de los aisladores de tensión de una torre.
- Torres de Tensión – la torre puede soportar el peso de los cables y la carga axial (tensión en dirección horizontal).
- Torres de Transposición – la torre cambia la posición de los conductores en una línea de transmisión en relación entre sí, por ejemplo, en posición x, fuera de posición y.
Hay demasiadas variaciones de torres para discutir aquí, pero algunas de las más comunes se discutirán a continuación.
Tipos de Torres de Transmisión
Torres de Suspensión
Las torres de suspensión (torres tangentes) se utilizan principalmente en tangentes, pero a menudo están diseñadas para soportar ángulos en la línea solo hasta 2°, además de cargas de viento, hielo y conductores rotos. Si la línea de transmisión atraviesa un terreno relativamente plano y sin características, el noventa por ciento de la línea puede estar compuesta por este tipo de torre. Por lo tanto, el diseño de la torre tangente ofrece la mayor oportunidad para que el ingeniero estructural minimice el peso total de acero requerido para el sistema de transmisión.
Vista Superior de la Torre de Transmisión Tangente
Torres de Ángulo
Las torres de ángulo, a veces llamadas torres 'semi-ancla', deben resistir cargas transversales inducidas en un ángulo (además de las cargas usuales de viento, hielo y conductores rotos). Las torres de ángulo son más pesadas que las torres de suspensión por necesidad.
Vista Superior de la Torre de Transmisión de Ángulo
Las torres de ángulo se utilizan cuando la desviación de la línea excede un ángulo mayor de 2°; se clasifican como:
- Torres de ángulo pequeño (2-10° de desviación de línea).
- Torres de ángulo medio (10-30° de desviación de línea).
- Torres de ángulo grande (30-60° de desviación de línea).
Torre de Tensión / Torre de Esfuerzo
A diferencia de las torres de suspensión, las torres de tensión usan aisladores de esfuerzo para resistir la carga axial colocada en la torre por los conductores (tensión neta actuando sobre la torre).
Vista Lateral de la Torre de Suspensión y Esfuerzo
Torre de Fin de Línea
Las torres de fin de línea (torres de anclaje) soportan el peso de los conductores conectados y soportan la tensión en los conductores; este tipo de torre también utiliza aisladores de esfuerzo. Las torres de fin de línea se utilizan típicamente al final de una línea de transmisión antes de que la línea pase a una subestación o línea subterránea. Las torres de fin de línea a menudo se instalan periódicamente entre una serie de torres de suspensión; esta configuración reduce la probabilidad de que una serie de torres fallen en cascada (puede ocurrir cuando un conductor en la línea de transmisión falla).
Cargas de las Torres de Transmisión
Las cargas que actúan sobre una torre de transmisión eléctrica son numerosas y dinámicas, algunas se enumeran a continuación:
- Carga muerta de la torre.
- Carga muerta de los conductores y otros equipos.
- Carga de nieve en conductores y equipos.
- Carga de hielo en la torre misma
- Cargas de erección y mantenimiento.
- Carga de viento en la torre.
- Carga de viento en conductores y equipos.
- Cargas de fuerzas de tracción de los conductores.
- Cargas de actividad sísmica (terremotos, etc.).
La carga principal que actúa sobre una torre de transmisión proviene de los conductores, y los conductores se comportan como cadenas capaces de resistir solo fuerzas de tracción. En consecuencia, la carga muerta de los conductores se calcula utilizando el llamado vano de peso, que puede ser considerablemente diferente del vano de viento utilizado en relación con el cálculo de la carga de viento.
Cargas de Peso y Viento
La longitud promedio del vano suele elegirse entre 300 y 450 metros. La ocurrencia de hielo y nieve, etc., agrega peso a las partes cubiertas y aumenta su exposición a los efectos del viento. La subestimación de estas circunstancias ha llevado con frecuencia a daños y colapsos de torres de transmisión.
El tamaño y la distribución de las cargas de hielo y nieve dependen del clima y las condiciones locales. La fuerza del viento generalmente se asume que actúa en un plano horizontal. Sin embargo, dependiendo de las condiciones locales, puede ser necesario considerar una dirección inclinada. Además, deben tenerse en cuenta diferentes direcciones del viento (en el plano horizontal) para los conductores, así como para la torre misma. La velocidad máxima del viento no ocurre simultáneamente a lo largo de todo el vano, por lo que se introducen coeficientes en los cálculos de carga para tener en cuenta esto.
Las fuerzas de tracción en los conductores actúan sobre las dos caras de la torre en la dirección de la línea. Si las fuerzas están equilibradas, no actuarán fuerzas longitudinales sobre una torre que suspenda una línea recta. Para torres de ángulo, las fuerzas longitudinales resultan en una fuerza resultante que actúa en el plano bisector del ángulo. Para torres terminales, las fuerzas pueden causar fuertes fuerzas resultantes longitudinales. Como las fuerzas de tracción varían con las cargas externas, incluso las torres de suspensión en una línea recta se ven afectadas por fuerzas longitudinales.
Propósitos Adicionales de las Torres
Las torres de transmisión a menudo sirven un propósito dual o triple. Los recolectores de datos meteorológicos y de comunicación a menudo se instalan en las torres de transmisión. Por ejemplo, es posible que hayas notado las copas giratorias de un anemómetro midiendo la velocidad del viento, u otro equipo meteorológico instalado en una torre. Además, antenas de telefonía móvil pueden estar adjuntas a algunas torres de transmisión en ubicaciones estratégicas.
Los primeros diseñadores de torres descubrieron que algunas aves grandes les gusta construir nidos en la parte superior de las torres. Desafortunadamente, las aves pueden causar un apagón si los desechos excretados caen sobre un aislador y causan un cortocircuito. Para prevenir estos apagones no intencionales y mantener una relación positiva con la fauna local, los diseñadores ahora incluyen plataformas especiales de anidación para las aves.
Aves Anidando en Torres de Transmisión
Modelo 3D
Este modelo 3D muestra una torre de transmisión eléctrica típica utilizada para distribuir voltajes superiores a 200 kV. La torre está diseñada para ser estructuralmente fuerte. Su estructura también está diseñada para reducir el efecto de los vientos fuertes sobre la torre. Los pasatubos de la torre aíslan la torre de los cables eléctricos (línea de transmisión), asegurando así que el potencial eléctrico de la torre permanezca en cero.
Este modelo 3D muestra todos los componentes principales asociados con una torre eléctrica de alto voltaje típica; estos incluyen:
- Parte Superior de la Torre
- Viga
- Pasatubos
- Horquilla
- Brazo Transversal
- Ventana de la Torre
- Cable de Tierra Aéreo
- Paquete de Conductores
- Cuerpo de la Torre (Cintura, Pierna, Miembros Diagonales)
- Base de la Torre (Fundación)
Recursos Adicionales
https://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_tower
http://www.hydroquebec.com/learning/transport/types-pylones.html
https://www.electrical4u.com/electrical-transmission-tower-types-and-design/