Líneas Eléctricas Aéreas y Torres: Tipos Diseño y Seguridad

Además de las subestaciones de corriente alterna de ultra alta tensión, lo que encontramos con más frecuencia son las líneas de transmisión y distribución de electricidad. Torres altas llevan conductores que saltan montañas y mares, extendiéndose hasta llegar a ciudades y pueblos. Este es también un tema interesante—hoy, exploremos las líneas de transmisión y sus torres de soporte.

Transmisión y Distribución de Energía Eléctrica

Primero, entendamos cómo se entrega la electricidad. La industria eléctrica se compone principalmente de cuatro etapas: generación, transmisión, (subestación) distribución y consumo.

• La generación incluye diversos tipos de generadores de energía—tradicionalmente, como plantas de carbón y centrales hidroeléctricas, así como fuentes modernas como la energía eólica y solar. Todos estos caen en la categoría de generación.

• La transmisión depende de las líneas de transmisión y las torres.

• La subestación (o transformación) utiliza principalmente transformadores. Los transformadores de elevación en las centrales eléctricas aumentan la tensión para una transmisión eficiente a larga distancia, mientras que los transformadores de reducción en el lado de distribución disminuyen la tensión a niveles adecuados para las redes de distribución regionales y los usuarios finales.

• La distribución en el lado del consumidor implica diversos transformadores de reducción, así como equipos de media y baja tensión, interruptores y cableado.

• El consumo se refiere a los dispositivos eléctricos en hogares, así como al uso de energía en infraestructuras municipales, edificios, instalaciones industriales y otras aplicaciones.

En términos de estructura, las líneas de transmisión se dividen en dos tipos principales: líneas aéreas y líneas de cable. A continuación, se muestra un diagrama esquemático de un sistema de transmisión de energía:

¿Qué niveles de tensión son adecuados para la transmisión de energía a larga distancia? Para reducir las pérdidas de transmisión y mejorar la eficiencia, se utilizan típicamente tensiones de CA de 500 kV o superiores para la transmisión de energía. Las tensiones en el rango de 500 kV a 750 kV se clasifican como Transmisión de Alta Tensión Extraordinaria (EHT), mientras que los sistemas de 1000 kV de CA se conocen como Transmisión de Ultra Alta Tensión (UHT). En contraste, las líneas que operan desde la tensión media hasta 110 kV–330 kV generalmente se categorizan como líneas de distribución. Ten en cuenta que estas clasificaciones pueden variar con el aumento de la demanda de energía, la capacidad del sistema y los patrones de distribución de energía regional.

Los niveles de tensión se refieren a la tensión entre fases—es decir, la tensión entre cualquiera de las tres fases (A, B y C). Los 220 voltios utilizados en los hogares son la tensión de fase, que es la tensión entre cualquier fase y tierra. En realidad, el suministro de energía residencial proviene de un sistema de tensión de línea de 380 voltios. Solo en la entrada del edificio se separan las tres fases (A, B y C)—cada fase puede alimentar una unidad diferente de un edificio residencial. Lo que comúnmente ves en las ciudades o comunidades residenciales es una estructura cuadrada, tipo caja—este es un centro de transformación empotrado (o de tipo caja) (como se muestra en la figura a continuación).

El centro de transformación de tipo caja integra equipos de media tensión, transformadores y dispositivos de distribución de baja tensión. Transforma la red de distribución de media tensión urbana (típicamente 10 kV o 20 kV) en energía de 380 V adecuada para uso residencial o municipal. Puede que no veas el cableado, ya que las redes de distribución urbanas en China hoy en día usan principalmente cables subterráneos. Sin embargo, en algunas áreas residenciales antiguas o regiones rurales, aún puedes observar líneas aéreas que conectan transformadores y luego se extienden a edificios o consumidores individuales.

En áreas abiertas, las líneas aéreas de transmisión que comúnmente vemos consisten en torres y conductores. Existen diversos tipos de torres, y las líneas de transmisión se clasifican como de corriente continua (CC) o corriente alterna (CA).

La generación y el consumo de electricidad en China presentan un desequilibrio geográfico significativo. Recursos energéticos abundantes, como el carbón, la energía eólica, la solar y la hidroeléctrica, están concentrados en las vastas regiones occidentales, mientras que los principales centros de carga se encuentran a miles de kilómetros de distancia en las regiones central y oriental. Esta discrepancia geográfica hace que la transmisión de energía a larga distancia sea una solución esencial.

En los últimos años, con el rápido desarrollo de bases de energía eólica y solar a gran escala, la demanda de transmisión de energía a larga distancia ha continuado creciendo. Como columna vertebral de la entrega de energía, la construcción de redes de ultra alta tensión (UHT) se ha acelerado, proporcionando un fuerte impulso para la transición energética y el desarrollo sostenible de China. Todos estos sistemas de transmisión a larga distancia dependen de torres de transmisión y líneas aéreas para interconectar la red.

Líneas Aéreas de Transmisión

Una línea aérea de transmisión consta de conductores suspendidos de torres utilizando aisladores y herrajes, asegurando un espacio seguro entre los conductores y el suelo o edificios. La función principal de una línea de transmisión es entregar energía eléctrica, conectar centrales eléctricas y subestaciones, permitir la operación en paralelo e integrar el sistema de energía en una red unificada.

Las líneas aéreas ofrecen ventajas como costos de inversión más bajos, construcción más rápida, instalación simple y conveniente, fácil identificación de fallas y peligros potenciales, y mantenimiento y reparación sencillos. Para la transmisión a larga distancia, las líneas aéreas se utilizan predominantemente debido a su alta capacidad de potencia. Cuanto mayor sea la distancia de transmisión, mayor será el nivel de tensión requerido.

Sin embargo, dado que las líneas aéreas están ampliamente distribuidas y operan continuamente en entornos exteriores, se ven afectadas con frecuencia por condiciones circundantes y factores naturales. Esto lleva a diversas fallas operativas, incluyendo rayos, daños por viento, acumulación de hielo, flashover por contaminación, interferencias externas, galope de conductores e incidentes relacionados con aves.

Además, cuando se trabaja con equipos de maniobra de alta tensión, los ingenieros comúnmente lidian con sistemas de alta tensión (AT), extra alta tensión (EAT) y ultra alta tensión (UAT), la mayoría de los cuales están interconectados a través de líneas aéreas. Por lo tanto, los requisitos técnicos para los equipos de alta tensión están estrechamente vinculados a las condiciones de la línea—como el entorno operativo y las condiciones de servicio. Comprender las características y comportamientos de falla de las líneas aéreas es, por lo tanto, esencial para entender las especificaciones técnicas de los equipos de alta tensión.

Componentes de las Líneas Aéreas de Transmisión

Los componentes principales de una línea aérea de transmisión incluyen cimientos, torres, conductores, aisladores, herrajes (accesorios), dispositivos de protección contra rayos (como cables de tierra aéreos y protectores contra sobretensiones) y sistemas de tierra. Las líneas modernas también pueden incluir componentes auxiliares como cables ópticos de tierra (OPGW) y sistemas de comunicación por portadora de línea de alimentación.

(1) Conductores

Los conductores transmiten la corriente y entregan la energía eléctrica. Un conductor por fase es típico para líneas estándar. Sin embargo, para líneas de EAT y de alta capacidad, se adoptan comúnmente conductores agrupados—utilizando dos, tres, cuatro o más subconductores (a menudo dispuestos en una configuración circular)—. Esto reduce la descarga de corona, minimiza la pérdida de potencia y disminuye la interferencia con señales de radio, televisión y otras comunicaciones.

(2) Cables de Tierra y Sistemas de Tierra

Los cables de tierra se suspenden en la parte superior de las torres de transmisión y se conectan al sistema de tierra en cada torre a través de conductores descendentes. Durante un rayo, el cable de tierra—colocado por encima de los conductores de fase—intercepta el rayo, desviando la corriente de manera segura a través del sistema de tierra hacia la tierra. Esto reduce la probabilidad de impactos directos a los conductores, protege el aislamiento de la línea de daños por sobretensión y asegura una operación confiable. Los cables de tierra generalmente se instalan a lo largo de toda la longitud de las líneas de 110 kV y superiores y comúnmente se fabrican con hilos de acero galvanizado.

(3) Torres (Pilones)

Las torres sostienen los conductores y los cables de tierra junto con el hardware asociado, manteniendo espacios eléctricos seguros entre los conductores, las torres, el suelo y cualquier estructura o edificio de cruce.

(4) Aisladores y Cadenas de Aisladores

Los aisladores son los componentes clave de aislamiento de una línea de transmisión. Soportan o suspenden los conductores mientras los aíslan eléctricamente de las torres, asegurando una resistencia dieléctrica confiable. Sometidos a estrés mecánico, tensión eléctrica y gases atmosféricos corrosivos, los aisladores deben poseer suficiente resistencia mecánica, rendimiento de aislamiento y resistencia a la degradación.

(5) Herrajes (Accesorios)

Los herrajes de línea de transmisión desempeñan un papel crucial en el soporte, fijación, conexión y protección de los conductores y cables de tierra, asegurando conexiones robustas y confiables. Los herrajes se clasifican en cinco tipos principales según su función: tensores, accesorios de conexión, accesorios de empalme, accesorios de protección y accesorios de amarre.

(6) Cimientos

El cimiento ancla la torre al suelo, previniendo el inclinamiento, derrumbe o asentamiento.

Examinaremos cada uno de estos componentes en detalle en discusiones posteriores.

(7) Torres (Pilones)

Existen numerosos tipos de líneas de transmisión y torres, con niveles de tensión que alcanzan hasta 1000 kV. Los materiales de las torres incluyen madera, concreto, estructuras de celosía de acero y tubos de acero, y sus formas y diseños varían ampliamente. El propósito de una línea de transmisión es entregar la energía eléctrica de un extremo a otro con mínimas pérdidas. Por lo tanto, dentro de la misma clase de tensión, las líneas se diseñan para minimizar la impedancia y maximizar el área de sección transversal del conductor. Las torres sirven para soportar las líneas y prevenir el contacto con otros objetos conductores que podrían causar fallas a tierra. Por lo tanto, se construyen altas y estructuralmente estables. La imagen a continuación muestra tipos comunes de torres.

Basándose en sus funciones reales en aplicaciones de ingeniería, las torres se clasifican en varios tipos: torres de línea recta (de suspensión), torres de ángulo (de esquina) (usadas para cambiar de dirección), torres terminales (para conectar a y desde subestaciones), torres de transposición (usadas para rotación de fase) y torres de gran tramo (diseñadas para cruzar ríos, lagos o estrechos importantes). En la base de cada torre está el cimiento. Los conductores se suspenden de los brazos transversales a través de cadenas de aisladores.

Si observas de cerca una torre de celosía de acero, notarás dos pequeños "cuernos" que se extienden hacia arriba—uno en cada lado—llevando hilos delgados. Estos no son para la transmisión de energía; son cables de tierra aéreos (cables de protección), también conocidos como cables de tierra, utilizados para la protección contra rayos.

Las torres de transmisión vienen en diversas formas. Para líneas de circuito único, las configuraciones comunes incluyen el tipo "copa de vino" con conductores dispuestos horizontalmente y el tipo "cabeza de gato" con conductores dispuestos en forma triangular. En áreas con derecho de paso limitado o en regiones económicamente desarrolladas donde la tierra es escasa, a menudo se utilizan torres compactas que llevan dos o incluso cuatro circuitos en la misma estructura. Para líneas de transmisión de CC de UHT, también existen torres de tipo T, que soportan dos circuitos colgando debajo—en un lado el polo positivo, y en el otro lado el polo negativo.

Un corredor de línea de transmisión se refiere a la zona en forma de tira que se extiende lateralmente desde los conductores más externos de una línea aérea de alta tensión. Su ancho se determina por el nivel de tensión y está regulado por las Regulaciones sobre la Protección de Instalaciones Eléctricas. Por ejemplo, la zona protegida para una línea de 500 kV tiene 20 metros de ancho. Mientras que se permiten actividades agrícolas limitadas dentro de esta zona, se prohíbe estrictamente apilar materiales inflamables o construir edificios.

También puedes haber notado numerosos dispositivos en forma de púas y pequeños "molinos de viento" instalados en las torres de transmisión. ¿Para qué son estos? ¡Son todos disuasivos de aves! Las púas anti-aves impiden que las aves construyan nidos, mientras que los pequeños dispositivos giratorios "molinos de viento" asustan a las aves—ambos se montan comúnmente en las torres.

La estructura de las torres de transmisión proporciona un lugar ideal para que las aves construyan nidos. Sin embargo, las heces de las aves son conductoras. Cuando se excretan sobre las cadenas de aisladores, pueden crear un camino conductor entre el conductor y la tierra, potencialmente causando flashover, fallas a tierra o incluso cortocircuitos entre fases. Por lo tanto, las líneas de transmisión son altamente vulnerables a lo que podría llamarse "aves enfurecidas". Además, los árboles altos cerca de las líneas de transmisión (o corredores) también pueden amenazar la operación segura, por ejemplo, causando violaciones de clearance al suelo o cortocircuitos, y, por lo tanto, deben ser podados regularmente.