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Vibraciones Mecánicas en Líneas de Transmisión

Cuando soplan ligeras brisas a través de los conductores en una línea de transmisión de Alta Tensión éstos vibran. Esta vibración 'eólica' puede conducir a daños por fatiga, llegando a ser lo suficientemente grave como para provocar que el conductor falle. Los niveles de vibración eólicas en el conductor aumentarán en amplitud hasta que la entrada de energía transferida por el viento sea equilibrada por la energía disipada por la auto-amortiguación del conductor y de todos los dispositivos externos de amortiguación. Este investigación utiliza las cuantificaciones de entrada de la energía eólica y la disipación de energía de auto-amortiguación del conductor, resolviendo de forma iterativa para los niveles de vibración en los que se produce un balance de energía. Este estudio también examina el efecto de los amortiguadores de vibración externos en estos niveles de vibración. Se estudiaron dos tipos de vibraciones que se dan en los conductores de las líneas de alta tensión. El primer tipo de oscilaciones son las de alta frecuencia, las cuales pueden provocar fatiga y daño en las hebras de los conductores. El segundo tipo es el conocido efecto galloping el cual es provocado por la acción del viento y la formación de hielo en los conductores y, de ser excesivo, puede provocar daños importantes en una línea de Alta Tensión. En ambos casos, se estudian los orígenes físicos de las vibraciones, se muestran los efectos prácticos, y se exponen las tecnologías existentes para prevenir daños desde el punto de vista del diseñador de las líneas. 1. INTRODUCCIÓN El fenómeno denominado “vibración eólica” se ha notado desde el siglo 19, especialmente en el "zumbido" de los cables de telefónicos, y es causado por la acción de vientos suaves que soplan a través de los conductores. Por encima de cierta velocidad crítica del viento (aprox. 0,85 m/s) se desprenden en forma continua vórtices al-ternos desde el lado superior e inferior del conductor a una frecuencia proporcional a la velocidad del viento. Es-tos vórtices (o remolinos) originan una fuerza alterna que es aplicada al conductor, ocasionando que éste vibre. Un conductor tendido entre dos torres en alta tensión se comporta, para pequeñas amplitudes de vibración, como una cuerda tensa y tiene distintos modos de resonancia a frecuencias resonantes discretas. Para un vano típico de 400 m, se producirán resonancias a intervalos de aproximadamente 0,25 Hz. Si la frecuencia de vibración eólica es igual o muy aproximada a una frecuencia de resonancia, entonces pequeños aportes de energía (entradas de alimentación) pueden originar amplitudes de vibración considerables. Se han observado amplitudes en el antinodo (amplitud máxima de una semionda) de hasta un diámetro de conductor. Además, si un modo resonante se establece en el conductor, la frecuencia de excitación eólica tiende a "perpetuar" la frecuencia de resonancia y para pequeñas variaciones en la velocidad del viento, la frecuencia de excitación de vibración eólica no se modifica. Por lo tanto, cualquier flujo de viento es capaz de mantener la vibración. Los conductores de transmisión modernos tienen una construcción ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinfor-ced), para proporcionar una alta resistencia y conductividad. Sin embargo, si los niveles de vibración son altos,

el esfuerzo a la flexión aplicado al conductor en los extremos del vano, pueden exceder a la relativamente baja resistencia a la fatiga de las hebras externas del aluminio, provocando una falla prematura del conductor. Con el fin de reducir los niveles de vibración, y por lo tanto la tensión dinámica en el conductor, se suelen insta-lar amortiguadores externos sobre el conductor. Estos dispositivos, conocidos como amortiguadores Stockbrid-ge, se han estado utilizando desde la década de 1920 y disipan la energía mediante el movimiento relativo de sus componentes. En esta investigación se busca estimar la amplitud de las vibraciones del conductor, mediante el uso de relaciones cuantitativas entre la amplitud de la vibración, la entrada de la energía eólica y la energía disipada por la autoamortiguación del conductor y por la amortiguación externa. Estas ecuaciones se resuelven en forma iterativa para encontrar la amplitud en la que la entrada de energía eólica se equilibra a la energía total disipada por amortiguación del sistema. También se consideran los efectos de los amortiguadores externos, los cuales han sido previamente casi ignorados en las soluciones de balance de energías. Se presentan las ecuaciones y las aproximaciones utilizadas para modelar las funciones de balance de energía, y la investigacion ilustra el método de balance de energía con el conductor estándar en Australia: "Olive", que tiene una construcción ACSR 54/3.50. Éste es comúnmente utilizado para las líneas de transmisión en Australia.

Vibraciones de Alta Frecuencia: I.1 Origen Físico Supongamos un viento moderado en dirección horizontal que golpea el conductor de una línea de transmisión. Supongamos además por simplicidad que la línea está configurada con un conductor por fase. Al chocar el viento con la sección circular del conductor, el líneas de flujo del viento se curvan haciendo que al lado contrario del choque se produzca un vórtice (como en el lavamos) al juntarse nuevamente las líneas de flujo. Ver la siguiente figura:

La posición y sentido del vórtice son muy inestables y, debido a las perturbaciones naturales del viento, cambian de arriba abajo alternadamente, y así también cambia el sentido de giro del vórtice. Esta variación en la posición y sentido de giro del vórtice produce fuerzas alternas sobre el conductor, es decir, un vibración mecánica. La fuerza ocurre en la dirección vertical (si el viento es horizontal) y se transmite a lo largo de todo el conductor. La frecuencia de estas vibraciones están generalmente en el rango de 5 a 60 Hz. Las amplitudes son imperceptibles al ojo humano y se vuelven dañinas para el conductor cuando son comparables con el diámetro del conductor. Vibraciones de Baja Frecuencia II.1 Origen Físico Las vibraciones de baja frecuencia en las líneas de AT, conocidas como galloping, se produces en líneas de AT aéreas de uno o varios conductores por fase por efecto del viento y la formación de hielo sobre los conductores. Cuando se forma hielo sobre los conductores, se modifica el perfil transversal originalmente circular del conductor. El nuevo perfil presenta formas irregulares que suelen ser aerodinámicamente inestables. Esto provoca que ante un viento transversal constante, de cierta velocidad, se produzcan oscilaciones mecánicas de los

conductores de amplitudes considerables fácilmente detectables por el ojo humano. Las frecuencias de estas oscilaciones típicamente son de entre 0.15 a 1.0 Hz. Generalmente, pero no siempre, las oscilaciones son en el plano vertical y las amplitudes pueden llegar hasta la distancia entre conductores de dos fases distintas. El viento necesario para provocar este efecto es del orden de 7 m/s o superior.