Cables-de-guarda Como Preteccion En Lineas De Transmision(trabajo)

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CABLE DE GUARDA COMO PROTECCION EN LINEAS DE TRANSMISION

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INTRODUCCIÓN. Las líneas de transmisión eléctrica se encuentran energizadas continuamente, por lo cual es importante evitar descargas eléctricas directas que interrumpan la continuidad del servicio. Esto ha generado la búsqueda de formas de aislar esas estructuras eléctricamente creando a su alrededor una "jaula". Uno de los métodos más frecuentemente utilizados es el uso de Cables de Guarda, que son colocados sobre la línea eléctrica actuando como una especie de pararrayos. Estos cables son fabricados de formas y materiales diferentes, uno de los diseños más comunes es el que consta de siete hilos entrelazados entre sí que posee una matriz o núcleo de acero y están recubiertos con aluminio. El cable de guarda también se utiliza para la colocación de señalizaciones, como por ejemplo las esferas de balizaje. Todos los elementos constructivos de una línea aérea deben ser elegidos, conformados y construidos de manera que tengan un comportamiento seguro en condiciones de servicio, bajo las condiciones climáticas, bajo tensiones de régimen y bajo corriente. El Cable de Guarda objeto de la presente investigación fracturó en el punto de unión con la esfera de balizaje, lo cual trajo como consecuencia su desprendimiento y la desconexión de la línea. El objetivo de este trabajo fue determinar la causa de falla del Cable de Guarda y proporcionar una solución adecuada para minimizar su deterioro.

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RESUMEN Un cable de Guarda es utilizado para proteger las torres contra las descargas eléctricas y consta de siete hilos. Cada uno posee una matriz o núcleo de acero y están recubiertos con aluminio. El presente análisis de falla tiene como objetivo determinar la causa de rotura del cable de guarda de una línea de transmisión eléctrica. Para esto se tomaron muestras representativas tanto del cable de guarda fallado como también de los contaminantes atrapados en el punto de contacto entre el cable y su mecanismo de sujeción a la esfera de balizaje, donde se presentó la falla. A tal fin se aplicó la metodología característica de un análisis de falla. Los resultados obtenidos señalan que el cable de guarda falló por un mecanismo combinado CorrosiónFricción-Abrasión, acelerado por la presencia de partículas de SiO2 y cloruros en el punto de contacto con la esfera de balizaje.

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CABLES DE GUARDA EN TORRES DE ALTA TENSIÓN Y RAYOS.

Los cables de guarda instalados en las líneas de alta tensión, son cables sin tensión que se colocan en la parte más alta en las redes de alta tensión, se conectan a la misma estructura metálica en cada torre y sirven para varios motivos. Uno es el generar un equipotencial de tierra en todo el trazado de la línea, Rebajando al mínimo la resistencia de tierra ya que con el cable se unen todas las torres y por defecto todas las tomas de tierra del trazado. Otro motivo es para intentar captar el rayo durante las tormentas y conducirlo a tierra (cosa que no siempre sucede)

Por una parte lo primero es bueno para reducir el riesgo eléctrico a las personas que toquen una torre de alta tensión, y minimizar así las posibles tensiones de paso que pueden generarse. Por otra parte es perjudicial porqué es sabido que esto facilita que el rayo encuentre un camino de resistencia baja en los puntos más altos, cuando el rayo impacta en la torre, aparecen en más o menos medida fugas de corriente de alta tensión por las estructuras, poniendo en riesgo a las personas que estén cerca de la torre en ese preciso instante.

5 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA INGENIERIA LECTRICA Otro motivo perjudicial a nivel de seguridad eléctrica y del propio transporte de energía es cuando un rayo impacta en el cable, éste sufre una degradación de material, es decir, la energía generada del rayo en el punto de contacto del cable, crea la fusión del material y perdida de éste por un lado, y por otro, la modificación de su resistencia mecánica. Un cable afectado por rayo, es un peligro inminente para el suministro eléctrico, ya que se puede partir y cortocircuitar los cables de tensión que están por debajo de él, creando más chispazos y fusión de los cables de tensión. El problema no es la desconexión del servicio, el problema es que seguramente este deterioro no se percibe en el momento de la reparación y más adelante puede aparecer el accidente de verdad.

Las empresas de control visual en vuelo, pueden apreciar el deterioro causado por un rayo en los cables de guarda,

6 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA INGENIERIA LECTRICA Las inclemencias meteorológicas; viento, nieve y lluvia heladora, pueden facilitar que un cable afectado por rayo se rompa, incluyendo el sobrepeso de los pájaros.

Quien no ha visto centenares de pájaros encima de los cables, el problema no es el peso, el problema es el esfuerzo al salir al vuelo todos de golpe, ese esfuerzo genera que el cable se ponga en tensión y vibre.

En el caso de las torres de alta tensión, pasa algo parecido con los efectos térmicos de los rayos. Las torres son verdadero pararrayos, dado que están construidas todas de metal y están perfectamente puestas a tierra.

7 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA INGENIERIA LECTRICA Los trazados de las torres, las obligan a pasar por puntos elevados, predominado en ocasiones en lo más alto de las montañas. Una torre bien diseñada e instalada, puede padecer esfuerzos térmicos cada vez que es impactada directamente por un rayo, la resistencia mecánica de una torre de alta tensión puede debilitarse después de padecer una descarga de rayo.

En Andorra se registran rayos de más de 200.000 amperios y en función de la resistencia de la tierra, las tensiones que pueden aparecer en una torre de alta tensión serán de millones de voltios, llegando la torre a ponerse al rojo vivo físicamente. Al enfriarse el metal rápidamente porque hay tormenta y fuertes vientos, el material padece un efecto de destemple, es decir que su estructura molecular a cambiado, perdiendo resistencia y por defecto aguante mecánico.

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Los cables de guarda son utilizados en líneas aéreas, subestaciones eléctricas de distribución y transmisión con la finalidad de proteger los equipos y/o conductores de fase contra descargas atmosféricas (rayos). Cabe mencionar también que en los últimos tiempos, el cable de guarda ya no solo sirve como protección del sistema contra las descargas atmosféricas, sino que también es un medio muy importante para comunicación y control del sistema eléctrico, ya que se han incorporado en el mercado cables de guarda con fibra óptica integrada (CGFO), los cuales al contener fibra óptica sirven como enlaces para comunicación y control, dentro del sistema eléctrico.

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS CABLES DE GUARDA.

Número de hilos y paso de trenzado. Deben ser de 7 hilos con trenzado izquierdo con un paso no menor de 10, ni mayor de 16 veces del diámetro nominal del alambre [1]. Los alambres que forman el cable de guarda deben ser de acero de extra alta resistencia. No se aceptan uniones de ninguna clase en los tramos del cable, se permite uniones soldadas eléctricamente a tope, hechas antes de iniciar el enfriado del cable. Los alambres deben estar galvanizados de tal forma que como mínimo la capa de zinc tenga una masa de 0,396kg/cm2 (superficie del alambre sin recubrir).

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CARACTERÍSTICAS DE LOS CABLES DE GUARDA CON FIBRA OPTICA (CGFO). Cada compañía eléctrica establece especificaciones de acuerdo a sus necesidades, privilegiando la resistencia mecánica, la conductividad eléctrica o las dimensiones. En México la Comisión Federal de Electricidad tiene una especificación muy severa, el cable debe tener como mínimo 36 fibras ópticas y una gran resistencia a la tensión mecánica, arcos eléctricos, alta conductividad en corto circuito y un requisito poco común de prueba contra corrosión salina.

Probablemente la razón para una especificación tan estricta es que en los planes de CFE el cable de guarda óptico no es sólo una solución para comunicaciones propias y enlaces locales para control y protección de las líneas, sino un aspecto adicional que permite transmitir una cantidad muy alta de información, como un nuevo giro de negocio para la empresa. Para este cable la CFE solicita que se apegue a lo indicado en la Especificación CFE E0000-21, “Cable de Guarda con Fibras Ópticas

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Hace un tiempo describimos las características de la construcción de una línea eléctrica en Argentina y se especificó el uso de cables de guardia de fibra optica OPGW. Ahora profundizaremos en la utilización de esta tecnología. Es la mejor solución técnica para la transmisión digital dadas la buena protección del cable y la alta disponibilidad del sistema que puede obtenerse. Se recomienda su utilización cuando se trate de una línea eléctrica nueva, dado que la diferencia de valor con un hilo de guardia convencional radica solamente en el costo diferencial de la provisión del material. Se aconseja como reemplazo del hilo de guardia existente, cuando deban preverse cortes de línea de cierto lapso de tiempo, o se prevean grados de dificultad en las obras que hagan útil la independencia de las comunicaciones, teleprotección y otros.

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Es de uso cada vez más frecuente compartir el uso del OPGW con prestadores de servicio de transmisión de datos y/o telefónicos, a partir de la desregulación de los servicios. Las necesidades de comunicación de las empresas del área eléctrica son normalmente satisfechas con un solo cable de fibra óptica, pudiendo usarse como segundo hilo de guardia el de acero convencional. Sin embargo, dada la conveniencia antes mencionada de compartir servicios interurbanos de transmisión de voz y/o datos y/o videos, con otros carriers, se recomienda la conveniencia de considerar la instalación de sendos OPGW. Tanto en el caso de reemplazar el hilo de guardia existente por un OPGW, así como en el caso de instalar uno nuevo, debe analizarse el efecto sobre las estructuras soporte de la línea, dadas las diferencias de peso, tiro y efectos agregados que trae aparejadas (situación ésta que no es crítica en un hilo de guardia tradicional).

 Se recomienda tener en cuenta:  Nuevas tensiones de tiro axial.  Nuevos esfuerzos sobre torres.  Vibraciones por efecto del viento.  Mayor carga por hielo.  Vibraciones por deshielo. El tendido y flechado de un cable de OPWG debe requerir cuidado para reducir al máximo los efectos negativos de:  La torsión en el cable y en las fibras.  El doblado del cable.  La compresión y la tracción.  La pérdida de estanqueidad durante el proceso de instalación.  Deben fijarse mayores exigencias para la amortiguación de vibraciones mediante stockbridges, pues el cable de fibra óptica es mucho más sensible a las consecuencias de las vibraciones por las microcurvaturas que sufren las fibras durante las oscilaciones. Deberá efectuarse un modelado y estudio de las vibraciones para limitar los valores máximos y fijar las condiciones de amortiguación. Deberán fijarse las condiciones para la medición de las vibraciones luego de la puesta en servicio,

12 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA INGENIERIA LECTRICA (típicamente cada dos años) para comprobación de los cálculos realizados y luego durante el servicio para mantener protegida las condiciones de trabajo de las fibras. En la tabla 2.7 se describen las propiedades eléctricas del cable de guarda proporcionada por el fabricante Alumoweld.

SISTEMA DE PROTECCIÓN POR HILO DE GUARDIA Los hilos de guardia de Estaciones y líneas desempeñan dos funciones importantes: a. Proteger las líneas aéreas contra descargas atmosféricas siendo su objeto primordial • Reducir la tensión inducida en la línea aérea por los rayos que caen en las cercanías

13 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA INGENIERIA LECTRICA • Proteger los conductores de fase, absorbiendo las descargas atmosféricas • Reducir la acción devastadora del rayo descargado directamente en la línea aérea Para todo lo cual tiene mera importancia la disposición con respecto a los conductores.

b. Reducir el efecto de la corriente de cortocircuito y participando por lo tanto en la disminución de la resistencia de tierra y disminuyendo las tensiones de paso que puedan poner en peligro a las personas o animales. Al disminuir la resistencia de tierra se tiene una disminución en la influencia sobre los circuitos de telecomunicación situados cerca de la línea, en caso de producirse cortocircuito a tierra. La acción protectora del hilo de guardia se determina por “zonas de protección” o también como conocidos como “ángulos de protección”. Dichas zonas son fundamentales en la configuración de líneas eléctricas aéreas y Estaciones de transformación, dado que la misma influye considerablemente sobre su diseño. Inicialmente se había considerado la acción protectora del hilo de guardia teniendo en cuenta que la carga del conductor de fase debido a la influencia atmosférica estaba limitada por la vencidad y la capacidad que existía con dicho conductor. En base a esto, se habían ubicado los hilos de guardia al lado de los conductores de fase. Investigaciones realizadas considerando características y desarrollo del rayo, han demostrado que el principal peligro no se debe buscar en las pequeñas cargas por intermedio de los denominados golpes indirectos y la vecindad de las líneas eléctricas aéreas, sino en la magnitud de la carga producida por los golpes directos en los conductores. Con esto se ha decidido claramente que solamente los hilos de guardia, que en forma de una jaula de Faraday, protegen los conductores contra las nubes; efectuando una protección eficaz debiéndose ubicar los mismos sobre los conductores y no al lado de ellos. El costo consiste no solamente en el hilo de guardia propiamente dicho, sino también tienen importancia los gastos por alargamiento y refuerzo de los soportes. Los hilos de guardia o hilos de tierra se colocan 1 o 2 sobre los conductores de fase en la parte mas alta de los soportes y conectados a tierra (figura 1a y 1b). Suele utilizarse como hilo de guardia el cable de acero galvanizado de 50 o 70 mm2 o bien el cable de Al/Ac (la sección es únicamente por razones mecánicas). Para el dimensionado

14 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA INGENIERIA LECTRICA de los hilos de Al/Ac, se aplica una regla práctica aproximada la cual determina que la sección del hilo de guardia en acero es aproximadamente igual a la sección del alma de acero del conductor.

Figura 1.a

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Figura 1.b La descarga del rayo se produce cuando el gradiente eléctrico entre las nubes y el objeto que el rayo alcanza sobrepasa el gradiente correspondiente a la rigidez dieléctrica del aire. El campo electroestático formado entre nubes y el suelo es uniforme de modo que las superficies equipotenciales son planos paralelos a la superficie de la tierra, la que siempre tiene el potencial cero (figura 2). El hilo de guardia colocado en el extremo del soporte a una cierta altura H, correspondiendo un potencial VH  E0 H

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FIGURA 2 El problema de cómo colocar el hilo de guardia para conseguir una protección total contra las descargas directas de los rayos a los conductores ha sido muy discutido, no llegándose hasta ahora a ningún resultado definitivo. Por ello se enuncian las principales propuestas para resolver el problema, a fin de elegir una solución adecuada que garantice el funcionamiento seguro de la línea y que sea económicamente aceptable. En la figura 3 se muestran las distintas propuestas, las cuales se analizan a continuación

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FIGURA 3

18 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA INGENIERIA LECTRICA 1. BEWLEY: Asume que el rayo choca siempre el objeto mas próximo a la nube cargada y deduce de esta hipótesis las formulas para la colocación de los hilos de guardia. Estas formulas dependen de la altura de las nubes cargadas, lo que es un factor difícil de determinar. Bewley llega a la conclusión de que, para las nubes de una altura de 5 a 30 veces la altura de los hilos de guardia sobre la tierra, el ángulo protector es de 55º a 75º. 2. WAGNER: En base a ensayos de laboratorio, recomienda adoptar un ángulo protector del hilo de guardia de 30º a 40º para los conductores externos y de 70º a 80º para los colocados entre los hilos de guardia. 3. GOLDE: Llega a la conclusión de que el ángulo protector del hilo de guardia es aproximadamente 64º y aumenta con la intensidad de la corriente del rayo. 4. LEWIS: Recomienda para conductores dispuestos horizontalmente, la aplicación de 2 hilos de guardia, colocados sobre los conductores a una altura igual a ⅔ de la distancia entre los conductores. La distancia entre los hilos de guardia debe ser igual a la existente entre los conductores. El ángulo protector resulta de 36º (figura 4). 5. SCHWAIGER: Determina la zona protectora del hilo de guardia como la zona incluida entre la vertical que pasa por el cable y el arco que pasa por el mismo cable y es tangente a la tierra. El radio del arco es igual a la altura del hilo sobre tierra. La zona de protección entre 2 hilos de guardia es la semicircunferencia de diámetro C igual a la distancia entre los mismos y cuyos puntos extremos coinciden con dichos hilos de guardia. Más claramente, la zona protegida por los hilos de guardia, esta determinada por círculos de radios iguales a la altura sobre el suelo del hilo de guardia.

La zona propiamente protegida, esta aun disminuida por una zona de dispersión que hay que tomar en cuenta con un ancho del 2 al 4 % del radio correspondiente (figura 5).

19 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA INGENIERIA LECTRICA 6. LANGREHR: Determina la zona protegida por el hilo de guardia de manera similar a Schwaiger, solamente que los centros de los arcos deben ser el doble de la altura del hilo de guardia sobre tierra. 7. GRÜNEWALD: Recomienda asumir el ángulo protector de 32º.

Actualmente por ofrecer adecuada protección y ser económicamente justificable, el método mas utilizado es el de Langrehr.

Se ha demostrado experimentalmente que el espacio protegido por un cable de tierra esta delimitado, aproximadamente, por un arco circular de radio igual a la altura del cable de tierra sobre el suelo (figura 7).

Con lo expuesto quedan definidos los criterios para la disposición de los conductores y de los hilos de guardia; pero los hilos de guardia colocados sobre los conductores de línea, aun si soportan el golpe del rayo, no garantizan por si mismo una eficaz protección del sistema si la

20 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA INGENIERIA LECTRICA aislacion de la línea no se ajusta a las consecuencias que produce el golpe del rayo en el hilo de guardia. Como ya se dijo, el rayo da origen a corriente del orden de hasta 100 KA.

Esta corriente que fluye a tierra se distribuye sobre varios soportes de línea (figura 8) si la línea esta provista de hilo de guardia, soporte y puesta a tierra una caída de tensión debida a la resistencia de estos elementos

PUESTAS A TIERRA DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN Los elementos a tener en cuenta para el diseño de una línea de transmisión desde el punto de vista de descargas atmosféricas son: • Espaciamiento eléctrico • Cantidad de aisladores • Ángulo de apantallamiento • Sistema de puesta a tierra de las estructuras Los cuales son ajustados de modo que ofrezcan una tasa de salidas preestablecida según los criterios básicos del proyecto. Con respecto a los espaciamientos eléctricos de las líneas de transmisión, las exigencias atmosféricas tienen menor importancia a medida que el nivel de tensión se eleva,

21 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA INGENIERIA LECTRICA debido al aumento del nivel de aislamiento de las líneas de transmisión.

La cantidad de aisladores de una línea de transmisión se diseña de tal forma que soporte todo “sobrevoltaje interno” (sobrevoltajes por maniobra y sobrevoltajes de baja frecuencia), pero no todo “sobrevoltaje extremo” (impulso de voltaje ocasionado por descargas atmosféricas). Lo anterior porque la longitud de la cadena de aisladores sería tan grande que el costo del aislamiento resultaría exageradamente alto. Con respecto a los sobrevoltajes de baja frecuencia se deben hacer correcciones por variables ambientales tales como: densidad relativa del aire, humedad absoluta y relativa, precipitación (lluvia), contaminación y viento (factor determinante del ángulo de balanceo). Pero cuando el aislamiento está sometido a impulsos de origen atmosférico no se hacen correcciones por variables ambientales porque no alteran el comportamiento del aislamiento (lluvia, humedad, etc.). Con respecto al ángulo de apantallamiento, se dice que el blindaje efectivo de los cuadros conductores se logra cuando la posición de los cables de guarda es tal, que el número de salidas debido a la incidencia de los rayos en los conductores de fase (descargas directas) sea igual a cero. Cuando lo anterior no puede ser logrado se diseña con una metodología de cálculo para la determinación del índice de salidas por descargas directas (en los conductores de fase). De acuerdo con las mediciones efectuadas en las líneas de transmisión se establece que la falla del blindaje está asociada con rayos de baja intensidad de corriente y las salidas por descargas en los cables de guarda o en las torres son debidas a rayos con corrientes de alta intensidad. La principal inquietud del presente artículo es analizar las salidas por flameos inversos que se ocasionan por tener altas resistencias de puesta a tierra en las torres.

Descripción del fenómeno Cuando una descarga atmosférica cae en un cable de guarda, la corriente debida a la descarga fluye en ambos sentidos a través de la impedancia impulso del cable de guarda. (La corriente y la tensión) se

22 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA INGENIERIA LECTRICA propagan hasta llegar a la torre, bajan por esta y se encuentran con una resistencia de puesta a tierra que disipa la energía asociada con la descarga atmosférica. (Figura 1 (a)). Lo mismo podemos decir cuando la descarga atmosférica cae directamente en la torre. (Figura 1 (b)). Según la descripción anterior, una descarga atmosférica, puede considerarse como una fuente de corriente capaz de hacer fluir una corriente permanente (la asociada con el rayo) a través de una impedancia. La tensión producida por la descarga es producto de la corriente y de la impedancia a través de la cual fluye.

Las descargas atmosféricas que inciden en los vanos de los cables de guarda y en las torres, tienen la tendencia de caer en las proximidades de éstas, porque se constituyen en los puntos más elevados de las líneas de transmisión. Dependiendo del tipo de torre y de su masa metálica pueden llegar a caer hasta el 60% de los rayos en las proximidades de la torre.

23 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA INGENIERIA LECTRICA Cuando la descarga atmosférica cae en el cable de guarda, induce una fracción de su potencial en los conductores de fase (factor de acople capacitivo entre conductores y cable de guarda).

El problema se presenta cuando la resistencia de puesta a tierra de la torre es alta y la corriente del rayo “rebota” o sea que desarrolla una alta tensión que eleva el potencial de la torre de transmisión con relación a la resistencia de puesta a tierra. La descarga atmosférica que cae en el cable de guarda o directamente en la torre, al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar una alta resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) no encuentra un medio propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente, y hace que la torre alcance un alto potencial eléctrico, que aumenta súbitamente la tensión entre el brazo de la torre y el conductor de fase, hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se encuentra a un alto potencial) y el conductor de base. Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso y se llama así porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase, como puede apreciarse en la figura 2. Además la corriente a través de la torre también produce un campo magnético variable entre el conductor de fase y la torre, que contribuye al flameo inverso. Según todo lo anterior para obtener un número de salidas de la línea aceptable, la resistencia de puesta a tierra debe ser muy baja y más aún cuando el nivel ceráunico es alto.

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RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA La resistencia de puesta a tierra está directamente relacionada con la composición natural del suelo, (características físicas y químicas), es decir, que el suelo será de resistencia baja cuando sea altamente húmedo, con composición arcillosa y con un alto contenido de minerales conductores. Al contrario se presentará una alta resistencia de puesta a tierra cuando el suelo sea de composición seca y altamente rocosa, lo que implica que la resistencia de puesta a tierra puede variar con la época del año. Lo anterior tiene lógica, pues la corriente asociada con la descarga atmosférica al llegar a la base de la estructura encuentra o no, según la composición del suelo un medio propicio para disipar la energía del rayo. Cuando una línea de transmisión tiene continuas salidas debido a flameos inversos por altas resistencias de puesta a tierra en las estructuras, se debe buscar mejorar (bajar) la resistencia que la corriente asociada al rayo encuentra al llegar al suelo. Sabiendo el nivel ceráunico de la zona por donde cruza la línea de transmisión, podemos por medio de una gráfica probabilística de distribución de rayos, calcular el valor de la corriente de rayo que aceptaremos nos produzca flameo inverso (la anterior decisión, se toma dependiendo del grado de confiabilidad que pretendemos dar a la línea de transmisión); con dicha corriente y con el voltaje de flameo de la cadena de aisladores podemos buscar el valor necesario de resistencia de puesta a tierra. En la práctica una línea de transmisión no tiene un valor constante de resistencia de puesta a tierra, sino que presenta una gama de valores según la localización de las distintas torres, por lo que, lo primero al querer mejorar las puestas a tierra de una línea de transmisión es medir que valores de resistencia tiene cada torre. Ante el anterior problema, la respuesta más lógica técnicamente que podría ocurrírsenos, sería colocar una malla de tierra en la base de cada estructura, pues dicha malla de tierra disiparía las corrientes asociadas con los rayos. Solución que tiene limitante desde el punto de vista económico.

25 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA INGENIERIA LECTRICA En vista de lo anterior, los procedimientos seguidos en la práctica son:

CABLES DE CONTRAPESO La utilización de cables de contrapeso es de práctica común y consiste en enterrar horizontalmente cables conductores pegados a las estructuras de las torres, la resistencia disminuirá con el aumento de la longitud y con aumento del diámetro del contrapeso enterrado (hasta cierto punto). El sistema de puesta a tierra se comporta como una impedancia transitoria, variando desde su valor inicial hasta el valor de resistencia de dispersión.

En la figura 3 están indicadas las curvas que muestran esta variación para determinada configuración de contrapesos. Un cable de contrapeso tiene una impedancia inicial de impulso, dependiendo de las condiciones del suelo, normalmente de 150 a 200 ohmios. Con la propagación de la onda de corriente a través del contrapeso, esta impedancia de impulso es reducida a su resistencia de dispersión en un período de tiempo dependiendo de la longitud del cable y de la velocidad de propagación de impulso.

FIGURA 3. VARIACIÓN DE LA IMPEDANCIA TRANSITORIA Y EFECTO DEL NÚMERO DE CONTRAPESOS.

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De la anterior figura podemos observar que al colocar más contrapesos bajamos el valor total de la impedancia transitoria inicial. (Es como colocar resistencias de aproximadamente 145 ohmios en paralelo).

Los impulsos atmosféricos se propagan en una estructura con una velocidad aproximada del 80% de la velocidad de la luz, o sea

Además, los impulsos atmosféricos se propagan en un contrapeso con una velocidad del orden de un tercio de la velocidad de la luz, o sea:

Según lo anterior un contrapeso de 300m, con una impedancia de impulso de aproximadamente 150 ohms, tardaría 6 microsegundos

27 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA INGENIERIA LECTRICA para que su resistencia efectiva sea reducida a su resistencia de dispersión

Del mismo modo, un cable de contrapeso de 75m, con una impedancia de impulso de aproximadamente 150 ohms, solo necesitará 1.5 microsegundos para reducir su resistencia efectiva a su resistencia de dispersión. Lo anteriormente descrito, sirve para demostrar que desde el punto de vista de respuesta transitorio (fenómenos muy rápidos), es mejor la utilización de varios cables contrapesos con longitudes menores que un cable contrapeso con longitud muy grande.

La impedancia de impulso inicial de los contrapesos, depende de las condiciones del suelo (normalmente de 150 a 200 ohms) y no depende directamente de la longitud del cable. Por lo que la longitud del contrapeso debe ser tal que el tiempo que tarde el impulso en ir a la punta y volver, sea superior al tiempo de crecimiento del fenómeno. Como estamos hablando de una descarga atmosférica, la cual es normalizada por una onda de 1,2 x 50 µs o superior garantizándonos que cuando la onda vuelve, (el fenómeno) ya se encuentra decreciendo. (Figura 4).

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Como conocemos las velocidades de propagación del impulso en la torre y en los contrapesos y el tiempo de crecimiento del fenómeno, podemos calcular la longitud del contrapeso. Visualicemos la distancia que ha de recorrer el impulso según la figura 5. Estableciendo que la transición es prácticamente completa en el tiempo necesario para la onda retornar del extremo remoto del cable contrapeso.

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Como es el espacio de ida y vuelta, el contrapeso debe tener una longitud de aproximadamente 62 mts. Obtendríamos un valor un poco más corto de la longitud de contrapesos, si asumimos un tiempo total más cercano al pico de la onda normalizada (1.2 µs), o si tenemos una estructura más alta. Si el contrapeso es muy largo, la parte crítica de la descarga (el ascenso) ya pasó y el impulso no ha llegado a la punta del contrapeso, lo que podría verso como “enterrar la plata”. Algunos tipos de arreglos de cables contrapesos, utilizados para el mejoramiento de las puestas a tierra de las estructuras de una línea de transmisión son mostrados en la figura 6. Los arreglos (a) y (b) son muy costosos y solo traen ventaja para fenómenos de baja frecuencia (60Hz), pues es el caso de los contrapesos muy largos. El arreglo más común es el (e).

30 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA INGENIERIA LECTRICA Los contrapesos teóricamente no tienen que ser demasiado profundos, pero si están muy superficiales pueden ser saqueados fácilmente

VARILLAS DE CONTRAPESO La utilización de varillas de contrapeso en nuestro medio se hace principalmente para aterrizar pararrayos (copperweld) y consiste en enterar verticalmente varillas conductoras pegadas a las estructuras de las torres y al igual que con los cables de contrapeso la resistencia disminuirá con el aumento de la longitud y aumento del diámetro de la varilla enterrada (hasta cierto punto). La utilización de varillas de contrapeso se basa en el principio de que la resistencia del suelo mejora con la profundidad (premisa que no es cierta en todos los casos). Mientras más profundas queden las varillas, mejor será su comportamiento, pero más complicada y costosa su colocación. En países como Canadá, entierran varillas muy profundas (hasta 10m) que son enterradas por etapas y van siendo ensambladas cuando la anterior está enterrada, método que solo es posible en suelos blandos como los arcillosos. En cuanto a los arreglos de varillas de contrapeso no hay algo muy establecido, pero lo que sí es cierto, es que mientras más separadas estén las varillas, más bajo será el valor de puesta a tierra obtenido, pues menos “copado” estará el medio alrededor de cada varilla.

COMBINACIÓN DE CABLES Y VARILLAS DE CONTRAPESO Cuando el arreglo de cables de contrapeso llega a ser del tipo (g) (figura 6) y aún no se ha logrado un valor de resistencia de puesta a tierra aceptable, se procede a enterrar varillas de contrapeso, aunque también se encuentran los demás arreglos de la figura 6 combinados con varillas.

APLICACIÓN DE SAL Y CARBÓN La aplicación de sal común fue muy utilizada hasta hace muy poco tiempo, con la característica de que si rebaja la resistencia del terreno, pero es una solución temporal, porque al pasar el tiempo el agua va lavando la sal y por consiguiente va aumentando de nuevo la resistencia del terreno. Por lo anterior, se complementa la adición de sal al terreno con la adición de carbón (de origen vegetal) pues este último absorbe el agua salada y la retiene. Después de una descarga, parte del agua salada absorbida por el carbón se “seca” y el carbón absorbe más

31 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA INGENIERIA LECTRICA agua, por lo que cada vez el carbón tendrá agua menos salada. Además con el pasar del tiempo y debida a la misma humedad, el carbón se desintegra y permite que se lave la sal Es una práctica equivocada utilizar carbón mineral porque este no absorbe (retiene) el agua salada, y sería como tratar de mejorar la resistividad del suelo agregando pequeños trozos de material conductor. La adición de sal y carbón (vegetal) tienen además la desventaja de que cuando es una zona altamente rocosa es prácticamente imposible su aplicación. Otra desventaja de la aplicación de sal como medio para rebajar la resistencia de puesta a tierra se presenta si hay electrodos de hierro, pues esta contribuye a su corrosión, especialmente en terrenos ácidos.

ADICIÓN DE BENTONITA La utilización de bentonita como un agregado al terreno en que se construye la puesta a tierra es un método que se utiliza solo en casos extremos cuando el tipo de suelo es altamente rocoso, arenisco o volcánico y no es posible utilizar métodos convencionales, o por medio de estos obtener valores satisfactorios de puesta a tierra. La bentonita geológicamente es uno de los más puros minerales de arcilla. El componente principal de la bentonita es la montmorillonita (pudiendo llegar al 80%) por lo que determina las propiedades fundamentales de ésta. Lo más importante de la estructura de la montmorillonita es que está formada por tres planos de mallas. Estos planos elementales se superponen paralelamente y forman una especie de tejido de capas. Entre estos tejidos de capas hay espacios vacíos llamados huecos intercristalinos. Estos huecos tienen la propiedad de absorber diversas sustancias, en especial el agua. Por lo anterior se concluye que para nuestro caso, la propiedad más importante de la montmorillonita y por ende de la bentonita, es la facilidad intercristalina de dilatación. Otra propiedad de la montmorillonita es la permeabilidad de los poros y espacios intercristalinos. Con la absorción de humedad cambia el volumen y la forma exterior de las partículas. Este aumento de volumen disminuye la permeabilidad de los poros de modo que se retiene la humedad por la estructura cristalina formada.

32 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA INGENIERIA LECTRICA Básicamente el procedimiento de mejoramiento de puesta a tierra a base de bentonita, consiste en rellenar las grietas naturales, aberturas y huecos libres que existen en el terreno mediante una masa que envuelve las partículas de terreno y las une eléctricamente, formando una gran superficie buena conductora de electricidad. Si el terreno no presenta grietas o huecos naturales, es necesario producirlos artificialmente en la proximidad de la puesta a tierra. Estas grietas pueden producirse mediante pequeñas explosiones que no afecten la resistencia mecánica del terreno. (la cantidad de explosivo dependerá de las propiedades de la roca). Con esto se producen fisuras capilares extensas en la roca como consecuencia de la onda de choque producida y además por el sacudón que se produce simultáneamente. La bentonita por ser una sustancia conductora de la electricidad, su utilización es muy apropiada como masa de relleno y unión, además protege a la puesta a tierra contra la corrosión. Por lo anterior también se utiliza bentonita en suelos de baja resistividad específica, de acción corrosiva ácida en los que se pretende proteger el electrodo o conductor de tierra contra la corrosión (por ejemplo suelos con aguas subterráneas ácidas).

CAUSAS DE LA FALLA DE UN CABLE DE GUARDA DE UNA EMPRESA ELÉCTRICA MÉTODOS Y MATERIALES. El estudio de la causa de la falla del cable de guarda se realizó siguiendo la metodología característica para el análisis de la falla de un material metálico [1,2]: 1. Inspección visual y ubicación de la zona de falla. 2. Análisis Químico del cable y metalografía óptica en las zonas lejos y cerca de la falla. 3. Estudio fractográfico por microscopía electrónica de barrido y microanálisis por energía dispersiva en las zonas lejos y cerca de la falla. 4. Ensayo de microdureza. Se utilizó un penetrador Vickers y una carga de 200g, acorde a norma ASTM E- 45. 5. Difracción de Rayos X de los Contaminantes a fin de determinar compuestos presentes en los polvos formados en el punto de unión de la goma de neopreno y el cable de guarda.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Ubicación de la falla. En la Figura 1A se observa la zona donde falló el cable de guarda, que se ubica justamente en el punto de contacto de éste con la esfera de balizaje y goma de neopreno. En la Figura 1B se observa el cable de

33 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA INGENIERIA LECTRICA guarda ya fallado el cual posee dos zonas que muestran diferencias: la zona clara donde está todavía el recubrimiento y la zona oscura con fuerte ataque corrosivo.

Análisis químico y Microscopía Óptica El cable de guarda posee siete hilos, cada uno con una matriz de acero cuya composición pertenece a un SAE 1060 alto en silicio y manganeso (Tabla I), lo cual hace presumir que al acero se le hizo un ajuste de silicio en metalurgia secundaria. Tabla I. Composición química de una zona lejana del sitio de falla.

Las Figuras 2A y 2B muestran la condición lejos de la falla. En la primera se representa la deformación de los granos en sentido longitudinal a causa del proceso de conformado aplicado al alambre y en la segunda el nivel de inclusiones presente en la muestra, según la norma ASTM E-45: Silicatos muy finos _ y Óxidos de Hierro _. Estos resultados coinciden con los obtenidos para la muestra del cable guarda en la zona fallada.

34 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA INGENIERIA LECTRICA Fig.2. Condición lejos de la falla del Cable Guarda) Granos deformados en la dirección longitudinal producto del proceso de laminación (Trefilado), Atacada con Nital. B) Nivel de Inclusiones, Sin Ataque. La Figura 3A muestra las fases presentes de la matriz de acero (sustrato) del cable de guarda, donde se evidencia las fases ferrita acicular, bainita superior y perlita, y en la Figura 3B se detalla una zona con deformación de las fases presentes, posiblemente por los esfuerzos torsión presentes en el cable.

En la Figura 4 se indica la sección transversal del cable guarda en la zona fallada. Es importante destacar que en esta zona, el recubrimiento de aluminio (Fig. 4A) ya no está presente y, lo que se evidencia es la presencia de una capa de óxido. En la Figura 4B se observa una gran cantidad de segregaciones de carbono posiblemente a causa de la fricción interna producida por una tensión aplicada en esta zona de la muestra (Efecto Snoek) [ 2].

Fig.4.Condición cerca de la falla del Cable de Guarda en sentido Transversal a 110X sin ataque. A) Cerca del Borde B) En el centro.

Microscopía Electrónica y Microanálisis por Energía Dispersiva: Lejos y Cerca de la Falla. La Figura 5A obtenidas por MEB, se evidencia el sustrato de acero y el recubrimiento de aluminio en una zona alejada de la falla. El estudio por microanálisis EDS de el sustrato de acero (Fig. 5B), reveló la presencia de Fe (98.76%) y Mn (1.24%) como elementos mayoritarios.

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Fig.5A) Sección Transversal, condición Alejada de la falla. B) EDS de la matriz (Acero). C) EDS del Recubrimiento de aluminio La Figura 6A presenta imágenes obtenidas por microscopía electrónica de barrido en modo de electrones retrodispersados de la sección transversal de las muestras en la zona de la falla, donde se evidencia la pérdida del recubrimiento de aluminio en el cable y la formación de una película de óxido de hierro y de manganeso cuyas cantidades por elemento se presentan en la Figura 6B.

Fig.6A) Fotomicrografía de la sección transversal de la condición cerca de la falla indicando la superficie cerca del borde. B) EDS de la capa de Óxido. Algunas hebras de este cable de guarda rompen con una fractura del tipo dúctil (Fig. 7A) por coalescencia de poros y picaduras (Fig.7B). Estos poros son formados a consecuencia de la descohesión de las inclusiones de silicato y la matriz. Las picaduras que se observan en la sección longitudinal de los hilos del cable son producidas por la presencia de los contaminantes corrosivos, siendo el principal el cloro y la presencia de humedad retenida o confinada entre en la goma de neopreno y el cable, lo cual ocasionó una corrosión localizada. Es importante destacar que las otras hebras del cable de guarda fallan mas violentamente, ya que al perderse las primeras hebras disminuye el área expuesta para soportar la carga y por ende aumentan los esfuerzos sobre la sección efectiva de los hilos restantes, cediendo más fácil y violentamente los otros hilos.

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Fig.7A) Fotomicrografía de la Sección Transversal en zona de fractura. B) Detalle de las picaduras presentes en la zona de fractura.

ENSAYO DE MICRODUREZA La microdureza de la matriz tiene un valor de 108.1HNV (Alejada de la falla), lo cual significa que este acero presenta una resistencia a la tracción de aproximadamente de 36kgf/mm2. El valor de dureza en las zonas cercanas a la falla es de 104.3HNV, lo cual permite predecir un valor de resistencia a la tracción de 35kgf/mm2. En consecuencia, el material se deforma durante la falla sin endurecimiento por deformación, propio de una matriz muy dúctil y por lo tanto el alambre fue sometido a un proceso de recocido.

DIFRACCIÓN DE RAYOS X En la Tabla II se reportan los resultados obtenidos en el análisis de rayos X. Tabla. II Resultados de la difracción de rayos X de los polvos blancos atrapados en el punto de contacto entre la goma de neopreno y el cable de guarda.

A través de esta técnica se determinaron en forma cualitativa los compuestos presentes en los polvos ubicados en el punto de unión de la goma de neopreno y el cable de guarda, zona donde se produjo la falla. Se determinó la presencia de los contaminantes corrosivos, siendo el principal el cloro y la humedad retenida o confinada entre en la goma de neopreno y el cable, lo cual ocasionó una corrosión localizada. [3-6]

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MECANISMO DE FALLA DEL CABLE DE GUARDA Es importante destacar que el conjunto de fuerzas a la que está sometido el cable de guarda a consecuencia del efecto de la catenaria (la curva que describe un cable que está fijo por sus dos extremos y no está sometido a otras fuerzas distintas que su propio peso), generan una fricción entre el cable, la goma de neopreno y las partículas de silicatos presentes como contaminación del ambiente, produciendo un desprendimiento del recubrimiento de aluminio y por tanto, dejando el acero base expuesto simultáneamente a los agentes atmosféricos y ambientales (cloruros, partículas de silicatos etc.) y a la humedad (electrolito) retenidos entre la goma de neopreno y el cable. Lo anterior es causante de una corrosión localizada en el acero de esta zona del cable, que origina su pérdida de espesor. Así, del ambiente se aportan iones cloruros, por otra parte el acero y el ambiente aportan partículas de silicatos (Figs.2 y 7). A medida que el acero va perdiendo espesor, los esfuerzos se incrementan paulatinamente. Debido a que la matriz de acero es muy blanda, los hilos del cable de guarda experimentan elongación. Por la disposición de los hilos del cable de guarda, que siguen una curva helicoidal alrededor de una hebra central, los esfuerzos producen un estiramiento y una rotación, como se puede apreciar en la naturaleza de la fractura (Fig.8). Todo lo anteriormente expuesto indica que se está en presencia de un mecanismo de falla combinado por corrosión-abrasión-fricción.

CONCLUCIONES

BIBLIOGRAFIA Y SIITIOS WEB