CONTRATO CONSTRUCCIÓN DEL SEGUNDO CIRCUITO A 115 kv ENTRE LAS SUBESTACIONES SURIA - PUERTO LÓPEZ PUERTO GAITÁN

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1 CONTRATO CONSTRUCCIÓN DEL SEGUNDO CIRCUITO A 115 kv ENTRE LAS SUBESTACIONES SURIA - PUERTO LÓPEZ PUERTO GAITÁN CIRCUITO PUERTO LÓPEZ PUERTO GAITÁN 115 kv VERIFICACIÓN MECÁNICA DE HERRAJES Y AISLADORES DOCUMENTO IEB D117 REVISIÓN 1 Medellín, Septiembre de 2013

2 VERIFICACIÓN MECÁNICA DE HERRAJES Y AISLADORES Página ii de iii CONTROL DE DISTRIBUCIÓN Copias de este documento han sido entregadas a: Nombre Dependencia Empresa Copias Gustavo Sánchez Distribución EMSA S.A E.S.P. 1 Gestor Documental IEB S.A. 1 Las observaciones que resulten de su revisión y aplicación deben ser informadas a IEB S.A. CONTROL DE REVISIONES Revisión No. Aspecto revisado Fecha 0 Emisión Inicial 10/07/ Emisión Final 15/09/2013 CONTROL DE RESPONSABLES NÚMERO DE REVISIÓN Nombre DMM AMG Elaboración Firma Fecha 08/07/2013 5/09/2013 Nombre CML CML Revisión Firma Fecha 09/07/ /09/2013 Nombre JPC JPC Aprobación Firma Fecha 10/07/ /09/2013 Participaron en la elaboración de este informe: AMG CML JPC Andrés Mauricio García Carlos Mario López Jaime Posada Caicedo

3 VERIFICACIÓN MECÁNICA DE HERRAJES Y AISLADORES Página iii de iii TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN OBJETO METODOLOGÍA Y ASPECTOS GENERALES RESISTENCIA MECÁNICA CRITERIOS PARA EVALUAR LA CARGA DE ROTURA DE LOS AISLADORES FACTORES DE SEGURIDAD FACTORES DE SEGURIDAD PARA HERRAJES DATOS DE ENTRADA CÁLCULO DE LOS FACTORES DE SEGURIDAD RESULTADOS ESTRUCTURAS DE SUSPENSIÓN ESTRUCTURA DE RETENCIÓN CONCLUSIONES REFERENCIAS... 9 TABLAS Tabla 1 Coeficientes de resistencia... 4 Tabla 2. Resumen de cálculos realizados... 7 Tabla 3: Resistencia mecánica de aisladores y herrajes... 8 LISTA DE ANEXOS Anexo 1: Cargas para cálculo de resistencia electromecánica de herrajes y aisladores

4 VERIFICACIÓN MECÁNICA DE HERRAJES Y AISLADORES Página 1/9 1. INTRODUCCIÓN El presente documento contiene la verificación mecánica de las cadenas de aisladores pertenecientes al diseño del segundo circuito a 115 kv entre las subestaciones, Suria, Puerto López y Puerto Gaitán, con una longitud aproximada de 180 km, de manera complementaria se proyecta la ampliación de las subestaciones de salida y llegada de este segundo circuito. 2. OBJETO Este documento tiene por objeto presentar los aspectos relevantes de la metodología utilizada, explicar los criterios aplicados y obtener los resultados de la verificación mecánica de las cadenas de aisladores de la línea de transmisión a 115 kv, actualmente en diseño. 3. METODOLOGÍA Y ASPECTOS GENERALES La resistencia mecánica de las cadenas de aisladores que hacen parte de la línea de transmisión, deben tener características técnicas apropiadas para resistir las cargas y condiciones de uso del proyecto en particular, condiciones reglamentadas a nivel nacional por el RETIE [1]. La metodología general para realizar el análisis mecánico de las cadenas de aisladores es la siguiente: I. Determinar la resistencia mecánica de las cadenas de aisladores de retención, con base en la tensión longitudinal, la cual debe mayorarse por el respectivo factor de seguridad. II. III. IV. Cálculo de la resistencia mecánica de las cadenas de aisladores de suspensión, con base en la suma vectorial de las cargas verticales y transversales, la cual debe mayorarse por el respectivo factor de seguridad. Cálculo de la carga de rotura de los herrajes. Se utiliza el principio de secuencia de falla, es decir, en cualquier condición el elemento de menor costo (en este caso los herrajes), debe tener una carga de rotura superior a la resistencia mecánica de las cadenas de aisladores. La carga de prueba de rutina (Routine Test Load RTL) se define como el 50% de la carga mecánica especificada (Specific Mechanical Load SML). La norma IEEE Std [5] Guide for Application of Composite Insulators, recomienda que los aisladores no se deben someter a cargas continuas superiores al RTL, es decir, superiores al 50% del SML.

5 VERIFICACIÓN MECÁNICA DE HERRAJES Y AISLADORES Página 2/9 En consecuencia, también se comprueba que la carga continua no exceda el RTL del aislador. V. Análisis de resultados y recomendaciones. 4. RESISTENCIA MECÁNICA La resistencia mecánica es la capacidad que tiene los cuerpos para resistir las fuerzas aplicadas sin romperse. La resistencia de los materiales combina los datos del material, geometría y fuerzas aplicadas para generar modelos matemáticos que permiten analizar la resistencia mecánica de los cuerpos. La resistencia mecánica correspondiente a una cadena múltiple de aisladores puede tomarse igual al producto del número de cadenas que la forman por la resistencia de cada cadena simple, siempre que en estado normal como con alguna cadena rota, la carga se reparta por igual entre todas las cadenas intactas. Para el caso de los aisladores de la línea a 230 kv, aplican las condiciones establecidas en el numeral 27.2 Aisladores del Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas RETIE [1], el cual reglamenta el uso de estos mediante el siguiente capítulo: Aisladores Para la determinación de la carga de rotura en los aisladores usados en líneas de transmisión se deben diferenciar las estructuras en suspensión y retención, con base en las cargas mecánicas en condición normal, aplicando factores de seguridad calculados en el numeral Insulator String Design Criteria de la norma IEC [2]. [1] 4.1. CRITERIOS PARA EVALUAR LA CARGA DE ROTURA DE LOS AISLADORES Los criterios utilizados para evaluar la carga de rotura de los aisladores de las líneas de transmisión se clasifican en los siguientes grupos: a) Aisladores para estructuras de suspensión La carga de rotura mínima debe ser igual a la suma vectorial de las cargas transversales y verticales (máxima absoluta en la cadena) por el factor de seguridad [1]. b) Aisladores para estructuras de retención La carga de rotura mínima del aislador debe ser igual a la máxima carga longitudinal a la que este expuesto mayorada por el factor de seguridad [1].

6 VERIFICACIÓN MECÁNICA DE HERRAJES Y AISLADORES Página 3/ FACTORES DE SEGURIDAD Los factores de seguridad se determinan de acuerdo a los requerimientos exigidos en el numeral de la norma internacional IEC [2], la cual especifica lo siguiente: Dónde: N = Factor de resistencia debido al número de elementos sometidos a la carga de máxima intensidad. S = Factor de resistencia debido a la coordinación de esfuerzos Q = Factor de resistencia debido a la calidad C = Factor de resistencia relativo a la carga característica ) 4.3. FACTORES DE SEGURIDAD PARA HERRAJES En relación con los herrajes, se considera lo establecido en el artículo Herrajes de líneas de transmisión y redes de distribución del Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas RETIE [1], el cual establece que: Los herrajes sometidos a tensión mecánica por los conductores y cables de guarda o por los aisladores deben tener un coeficiente de seguridad mecánica no inferior a tres (3) respecto a su carga de trabajo nominal. 5. DATOS DE ENTRADA La información de las cargas mecánicas a las que estarán sometidas las estructuras utilizadas en la línea en diseño a 115 kv se tomó del documento IEB D112 Informe de árboles de carga y curvas de utilización a 115 kv [3], las cuales se presentan en el Anexo 1 del documento. 6. CÁLCULO DE LOS FACTORES DE SEGURIDAD El cálculo del factor de seguridad a ser aplicado en las cargas mecánicas utilizadas para calcular la resistencia mecánica de los aisladores, se realizó mediante la siguiente evaluación técnica. Cada uno de los factores relacionados en la ecuación (1), se evaluaron de acuerdo lo expuesto en la norma IEC [2], de la siguiente manera:

7 VERIFICACIÓN MECÁNICA DE HERRAJES Y AISLADORES Página 4/9 Tabla 1 Coeficientes de resistencia FACTOR VALOR S 0.90 Q 1.0 C 1.0 N N: Se calcula de acuerdo a lo expuesto en el numeral de la norma IEC [2], que relaciona el número de elementos sometidos a la carga de máxima intensidad (N) con el coeficiente de variación de la resistencia mecánica (vr). De acuerdo a lo anterior, se evalúa en la Tabla 11 de la norma el valor de N, para N=(1 a 5) (Rango típico de apoyos sometidos a la máxima ráfaga de viento en un vano de 400 m, en terreno plano a ondulado) y V R = 0.30 (condición más crítica de variación de resistencia). - S: Se calcula de acuerdo a lo expuesto en el numeral de la norma IEC [2]. - Q: Se calcula de acuerdo a lo expuesto en la tabla 20 de la norma IEC [2]. - C: Se calcula de acuerdo a lo expuesto en el numeral de la norma IEC [2]. De acuerdo a lo anterior, el factor de seguridad para estructuras de suspensión es igual a: F SA =1.39 Para estructuras que estén ubicadas en torres de amarre o terminales el factor de seguridad se calcula aumentando en un 15% el factor encontrado para estructuras de suspensión, es decir, el factor de seguridad a usar es: F SR = F SA x 1.15 = 1.39 x 1.15 = 1.60

8 VERIFICACIÓN MECÁNICA DE HERRAJES Y AISLADORES Página 5/9 7. RESULTADOS 7.1. ESTRUCTURAS DE SUSPENSIÓN a) Cadenas de aisladores Dónde: R MEC : Resistencia mecánica (kg) F SA : Factor de seguridad F V : Fuerzas verticales (kg) F T : Fuerzas transversales (kg) El caso más crítico en las estructuras tipo suspensión, evaluadas para la condición normal, como lo indica el RETIE [1] está determinada bajo la siguiente combinación de cargas de servicio: Carga transversales (incluye viento y ángulo): 975 kg Carga vertical: 1035 kg F SA = 1.39 (estructuras suspensión) a) Herrajes conductor de fases: F SA = kg b) Herrajes cable de guarda Alumoweld 7 No.8: F SA = kg

9 VERIFICACIÓN MECÁNICA DE HERRAJES Y AISLADORES Página 6/9 c) Herrajes cable de guarda OPGW: F SA = kg 7.2. ESTRUCTURA DE RETENCIÓN a) Cadenas de aisladores La carga de rotura o resistencia mecánica está dada por la siguiente expresión: Dónde: R MEC : Resistencia mecánica (kg) F L : Carga máxima longitudinal (kg) F SR : Factor de seguridad Para la verificación de los aisladores y herrajes de las estructuras de retención se consideraron las mayores cargas longitudinales obtenidas sobre las estructuras de retención. En nuestro caso, las cargas máximas longitudinales se obtienen en las torres terminales de la línea, las cuales se presentan en el Anexo 1. El caso más crítico en las estructuras de amarre, evaluadas para la condición normal, como lo indica el RETIE [1] está determinada bajo la siguiente combinación de cargas de servicio: Carga longitudinal: 1870 kg F SR : 1.60 (estructuras amarre) a) Herrajes conductor de fases: F SR = 3 kg 5610 kg

10 VERIFICACIÓN MECÁNICA DE HERRAJES Y AISLADORES Página 7/9 b) Herrajes cable de guarda convencional Alumoweld 7 No.8: F SR = 3 c) Herrajes cable de guarda OPGW: F SR = kg 8. CONCLUSIONES 4020 kg El factor de seguridad calculado según la Norma IEC Criterios de diseño de líneas de transmisión aéreas para los aisladores dio como resultado un factor de 1.39 para estructuras de suspensión y 1.6 para estructuras de amarre. El factor de seguridad establecido por el RETIE [1] en el numeral Herrajes de Líneas de Transmisión y Redes de Distribución no debe ser inferior a tres respecto a su carga de trabajo nominal. Se considerará tanto para los aisladores, un porcentaje máximo del 50% de las cargas continuas de trabajo en relación con las cargas mecánicas especificadas. El resumen con los resultados obtenidos se presenta continuación: DESCRIPCIÓN Aisladores de suspensión Aisladores de retención Herrajes de suspensión conductor de fases TOTAL DE CARGAS ACTUANTES (RTL) kg (kn) 1422 (14.22) 1870 (18.70) 1422 (14.22) Tabla 2. Resumen de cálculos realizados FACTOR DE SEGURIDAD MÍNIMO VALOR DE LA CARGA MECÁNICA CON FACTOR DE SEGURIDAD kg (kn) 1977 (19.77) 2992 (29.92) 4266 (42.66) VALOR DE LA CARGA MECÁNICA DE ROTURA ESPECIFICADA (SML) kg (kn) 12000* (120) 12000* (120) (135) FACTOR DE SEGURIDAD REAL DE LOS ELEMENTOS % DE RTL SOBRE SML % %

11 VERIFICACIÓN MECÁNICA DE HERRAJES Y AISLADORES Página 8/9 DESCRIPCIÓN TOTAL DE CARGAS ACTUANTES (RTL) kg (kn) FACTOR DE SEGURIDAD MÍNIMO VALOR DE LA CARGA MECÁNICA CON FACTOR DE SEGURIDAD kg (kn) VALOR DE LA CARGA MECÁNICA DE ROTURA ESPECIFICADA (SML) kg (kn) FACTOR DE SEGURIDAD REAL DE LOS ELEMENTOS % DE RTL SOBRE SML Herrajes de suspensión cable de guarda Alumoweld 7 No (6.13) (18.39) (135) Herrajes de suspensión cable de guarda OPGW 923 (9.23) (27.69) (135) Herrajes de retención conductor de fases 1870 (18.70) (56.1) (135) Herrajes de retención cable de guarda Alumoweld 7 No (8.7) (26.10) (135) Herrajes de retención cable de guarda OPGW 1340 (13.40) (40.20) (135) Nota: * Valor mínimo de carga mecánica especificada (SML) que deben cumplir los aisladores de acuerdo con la norma IEC [4]. A continuación se presenta el resumen con las características mecánicas mínimas de los aisladores y herrajes requeridos, aproximadas a valores comerciales. TIPO DE CADENA Tabla 3: Resistencia mecánica de aisladores y herrajes TIPO DE AISLADOR RESISTENCIA MECÁNICA AISLADORES (kn) RESISTENCIA MECÁNICA HERRAJES (kn) Suspensión Porcelana Retención Porcelana

12 VERIFICACIÓN MECÁNICA DE HERRAJES Y AISLADORES Página 9/9 9. REFERENCIAS [1] Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas RETIE. Resoluciones Ministerio de Minas y Energía No (6 de agosto de 2008). [2] Design criteria of overhead Transmission lines IEC International Electrotechnical Commission. [3] Documento IEB D112 Informe de árboles de carga y curvas de utilización a 115 kv. [4] Insulators for Overhead lines with a nominal voltage above 1000 V-Ceramic or glass insulator units for A.C. Systems IEC (1995). [5] IEEE Standards. Guide for Application of Composite Insulators.IEEE Std

13 ANEXO 1 CARGAS PARA CÁLCULO DE RESISTENCIA ELECTROMECÁNICA DE HERRAJES Y AISLADORES

14 VERIFICACIÓN MECÁNICA DE HERRAJES Y AISLADORES Página 1/1 CARGAS ACTUANTES SOBRE LAS ESTRUCTURAS TORRE TIPO CARGAS CONDUCTORES DE FASE (kg) CARGAS CABLE DE GUARDA ALUMOWELD 7 No.8 (kg) CARGAS CABLE DE GUARDA CONVENCIONAL OPGW (kg) F.TR F.VE F.RE F.LO F.TR F.VE F.RE F.LO F.TR F.VE F.RE F.LO Suspensión AA Terminal D F.TR: Carga transversal F.VE: Carga vertical F.RE: Carga resultante F.LO: Carga longitudinal Página 1 / 1