Ingeniería Eléctrica: Vibraciones en Líneas de Alta Tensión

Las líneas de alta tensión, por causas ambientales, se ven sometidas a esfuerzos mecánicos en todos sus componentes. Los conductores, aisladores, torres y ferreterías, se ven tensionados en distintas direcciones cuando el viento choca contra la superficie de todos ellos. En particular, la fuerza del viento sobre los conductores puede provocar vibraciones en estos, las cuales pueden tener efectos mecánicos considerables.

Se estudiaran 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, bajas temperaturas (formación de hielo en los conductores) y también por el efecto corona, dicho efecto puede provocar daños importantes en una línea de AT.

1) Vibraciones de Alta Frecuencia

Origen Físico:

Supongamos un viento moderado en dirección horizontal que golpea conductor de una línea de transmisión.

Supongamos además por simplicidad que la línea está configurada con un solo conductor por fase. Al chocar el viento con la sección circular del conductor, las líneas de flujo del viento se curvan haciendo que al lado contrario del choque se produzca un vórtice 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, una 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 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.

Formación del vórtice al chocar el viento contra
un cilindro, analizado en un túnel de viento.

1.1) Efecto en las Líneas AT

Puede ocurrir que las amplitudes de estas vibraciones sean considerablemente altas, provocando que el conductor se flecte alternamente en una dirección y otra en el plano vertical. En los puntos en que el conductor está suportado por los aisladores, la curvatura en que se flecta el conductor es más pronunciada dada la periodicidad del movimiento, las hebras del conductor se calienta, fatigan, y eventualmente se cortan. Ver la siguiente figura:

Al cortarse una o varias hebras de conductor, se forman puntos calientes que se traducen en pérdidas óhmicas en la línea de transmisión. Además de disminuir las capacidades de tensión mecánica del conductor.

Además de producirse daños en las hebras de los conductores, se produce fatiga en las ferreterías que soportan los conductores.

2) Vibraciones de Baja Frecuencia

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 transversa 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.

2.1) Efectos en Líneas de AT

En una primera etapa, el galloping puede provocan que conductores de distintas fases se acerquen demasiado provocando corto circuitos entre dos o más fases.

Esto, en el mejor de los casos, repercute en una interrupción del suministro por la operación de las protecciones de la línea.

En un caso más extremo, el galloping puede ser de una amplitud tal que los esfuerzos dinámicos en las cadenas de aisladores supere la resistencia mecánica de estos provocando que uno o más aisladores se rompa. Esto repercute en una interrupción de suministro de hasta varias horas debido a lo que significa cambiar un aislador en una línea de AT.

En el peor de los casos, el galloping puede provocar que las oscilaciones se transmitan a las torres con una amplitud y frecuencia tal que todo el sistema resuena mecánicamente resultando en la destrucción de una o varias estructuras. La foto que se muestra a continuación muestra la caída de varias torres de AT.

La foto que se muestra a continuación da cuenta de la caída de varias torres de una línea de AT en Quebec, Canadá en 1998 producto de una tormenta de hielo y viento: