4 - CÁLCULOS DE DISEÑO (continuacion)
4.7 - FUERZAS DEBIDAS AL CORTOCIRCUITO - COMENTARIO
Cuando se produce un cortocircuito circulan elevadas corrientes y aparecen entonces fuerzas de atracción y repulsión entre conductores atravesados por dichas corrientes.
Como las corrientes varían a la frecuencia de la red, las fuerzas son variables.
Los conductores cambian de posición y se producen deformaciones, en consecuencia se presentan distintos estados de tensión (
figura 4.9).Si se supone que se tienen solo dos conductores paralelos y de longitud infinita, atravesados por una corriente constante, la fuerza está dada por la
fórmula (4.31), siendo de repulsión si los sentidos de las corrientes son opuestos.Siendo la longitud finita, las fuerzas son menores que las teóricas correspondientes a longitud infinita.
La corriente de cortocircuito es de valor variable, sinusoidal y en los primeros instantes presenta también una componente continua.
El valor máximo de la corriente de cortocircuito es del orden de 2 - 2.8 su valor eficaz. Se toma convencionalmente en alta tensión 2.5 como valor normal y representativo.
CORTOCIRCUITO BIFÁSICO
En esta falla, la corriente en ambos conductores es la misma, en consecuencia la fuerza puede ser considerada como un valor medio y superpuesto una componente de frecuencia doble a la de la red.
Lógicamente esta fuerza es dependiente de la corriente de cortocircuito bifásica que generalmente es distinta (y menor) de la trifásica.
CORTOCIRCUITO TRIFASICO
Las corrientes en los tres conductores son distintas, en cada instante la suma es cero, por consiguiente, la fuerza sobre un conductor depende de la corriente que por él circula y de las corrientes en cada uno de los otros conductores.
COMENTARIO
Para las estaciones eléctricas las barras están generalmente en disposición coplanar por lo que la fuerza máxima se presenta sobre la barra central.
La
fórmula (4.32) es la que corresponde y el coeficiente K tiene en cuenta la asimetría de la corriente y otras condiciones prácticas asumiendo distintos valores.HIPÓTESIS SIMPLIFICATIVAS
Se ha considerado que la fuerza de cortocircuito es variable. Si se la considera constante, se la puede tener en cuenta como si fuera una fuerza estática, y con ella calcular el estado de tensión consiguiente.
La solicitación es dinámica y estática, influye especialmente la frecuencia propia de la construcción.
El estado de tensión se determina con la fuerza. Las barras tienen una frecuencia de vibración propia; si la frecuencia de excitación de la fuerza es próxima a la de resonancia, los estados de tensión son mayores, ya que las deformaciones son mayores que las que corresponden a condición estática.
Algunos diagramas de la bibliografía muestran los coeficientes de amplificación a utilizar.
CASO DE BARRAS FLEXIBLES, CABLES
Durante el cortocircuito se produce un movimiento que resulta de descripción compleja.
Generalmente se acepta la simplificación de considerar el caso estático de una fuerza resultante aplicada al conductor.
Cuando una barra está formada por subconductores aparece una fuerza de atracción entre los mismos que tiende a reunirlos en un único conductor.
Al estado de tensión producido por la fuerza entre barras se suma el producido por la fuerza entre subconductores.
Para las barras rígidas se pueden superponer directamente los estados de tensión.
HAZ DE CABLES
Para los cables flexibles en haz, la atracción entre conductores del haz, incrementa el tiro sobre los anclajes.
Corresponde considerar el incremento de tiro hasta que los conductores entran en contacto.
La posibilidad de que los conductores se pongan en contacto está condicionada por la existencia de separadores entre conductores.
A medida que el número de separadores aumenta, el efecto de incremento de tiro aumenta; pero, superada cierta cantidad de separadores los conductores se comportarán como si no se tratara de un haz, sino como un único conductor.
Los conductores flexibles se tienden entre pórticos. Las cargas que los conductores aplican a los pórticos pueden descomponerse según tres ejes principales. Los ejes principales son: el eje vertical, un eje horizontal en el sentido de la viga del pórtico y el eje horizontal normal a los anteriores y generalmente en la dirección de los conductores.
Los pórticos están formados por columnas y vigas en las que se amarran los conductores.
La distancia entre amarres de los conductores depende del diseño geométrico que se realiza para respetar las distancias de aislación en las distintas condiciones.
Los amarres de los conductores, realizados sobre el travesaño del pórtico pueden ser internos a las torres o externos (
figura 4.10).El travesaño es una viga apoyada con tramos en voladizo o no, puede ser una viga continua o no (
figura 4.11 y figura 4.11b).Las columnas del pórtico son vigas empotradas que transmiten al suelo principalmente acciones debidas al momento de vuelco producido por los conductores.
Las cargas actuantes sobre el pórtico son:
- Peso de los conductores, con sobrecargas eventuales y variaciones debidas a las acciones de los equipos, cadenas de aisladores, etc.
- Viento sobre los conductores, cadenas de aisladores, etc., que varía actuando en distintas formas.
- Tiro horizontal del conductor (supuestos los apoyos a nivel) y define el momento de vuelco sobre el pórtico.
Es conveniente aclarar que definido un vano y un conductor quedan determinados los esfuerzos sobre el pórtico debido al peso y al viento.
Las cargas de peso y viento son independientes del estado de tensión que se adopte para el conductor (tiro).
- El peso de los conductores, los accesorios, junto con el peso propio de la estructura, define la carga de comprensión que las columnas del pórtico deben soportar.
- El viento transversal a las barras, sobre conductores, y estructura define las cargas de corte, y momentos flectores que la estructura debe soportar.
- El tiro de los conductores define las cargas de vuelco producidas por los conductores.
- Cuando se trata de pórticos intermedios las cargas de los conductores pueden compensarse entre un lado y el otro, y se diseñan pórticos más livianos.
- La viga, que forma el travesaño está sometida a los tiros de los conductores. Cuando aparecen fuerzas de cortocircuito de repulsión o atracción entre conductores, la viga queda sometida a la comprensión o tracción.
Las cargas deben ser combinadas de manera de considerar estados de carga que representen posibles estados reales.
- Cuando el máximo tiro del conductor se alcanza con el máximo viento, éste es perpendicular geométricamente con el tiro del conductor.
- Cuando en cambio el máximo viento es paralelo a la barra la acción del viento sobre la estructura es la máxima, pero el tiro de los conductores no alcanzará el valor máximo (por acción del viento), quedando en un valor próximo al normal.
El equilibrio de los tiros entre vanos contiguos es importante de controlar con hipótesis que tengan en cuenta errores de montaje, y con las distintas hipótesis climáticas.
Las condiciones de montaje pueden crear situaciones de carga que deben ser controladas.
También las condiciones de emergencia, eventualmente debidas a accidentes, pueden crear situaciones de carga a controlar.
Los soportes de los equipos pueden tener formas muy simples, como una columna, hasta configuraciones relativamente complejas, como pequeños pórticos.
Sobre los equipos actúan fuerzas, por ejemplo : fuerza del viento, fuerza transmitida por los cables de conexión, que deben ser soportados por éstos, que a su vez, cargan soportes (
figura 4.12).
Se esquematiza la columna y el equipo como superficies sobre las que se consideran las acciones de las cargas, el viento, las cargas de montaje, el peso, etc.
Se determina la carga con la que el equipo actúa sobre el soporte, que se utiliza para verificar el soporte. También se determina la carga que el soporte transmite a la fundación.
Los valores a determinar son:
- Fuerzas de compresión, peso.
- Fuerzas de corte.
- Momento flector.
En algunos casos los soportes de barras, o los soportes de seccionadores tienen formas más complejas, como ser estructuras aporticadas o con brazos.
Cada caso requiere un estudio adecuado, y éste comienza con una buena estimación de las cargas.
Cuando existen transmisiones que deben producir movimientos como el caso de seccionadores, es importante una suficiente rigidez entre partes para que la transmisión cumpla con toda eficiencia con su función (
figura 4.13).