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El cable reforzado con acero con conductor de aluminio ( ACSR ) es un tipo de conductor trenzado de alta capacidad y alta resistencia que se utiliza normalmente en líneas eléctricas aéreas . Los hilos exteriores son de aluminio de alta pureza , elegido por su buena conductividad, bajo peso, bajo coste, resistencia a la corrosión y una buena resistencia a la tensión mecánica. El hilo central es de acero para una mayor resistencia que ayude a soportar el peso del conductor. El acero es más resistente que el aluminio, lo que permite aplicar una mayor tensión mecánica al conductor. El acero también tiene una menor deformación elástica e inelástica (elongación permanente) debido a la carga mecánica (por ejemplo, viento y hielo), así como un menor coeficiente de expansión térmica bajo carga de corriente . Estas propiedades permiten que el ACSR se combe significativamente menos que los conductores totalmente de aluminio. Según la convención de nomenclatura de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y el Grupo CSA (anteriormente la Asociación Canadiense de Normas o CSA), el ACSR se designa A1/S1A. [1]
La aleación de aluminio y el temple que se utilizan para los cordones exteriores en Estados Unidos y Canadá son normalmente 1350-H19 y en el resto del mundo es 1370-H19, cada uno con un contenido de aluminio del 99,5 % o más. El temple del aluminio se define por el sufijo de la versión de aluminio, que en el caso de H19 es extra duro. Para prolongar la vida útil de los cordones de acero utilizados para el núcleo del conductor, normalmente se galvanizan o se recubren con zinc para evitar la corrosión. Los diámetros de los cordones utilizados tanto para los cordones de aluminio como para los de acero varían para los diferentes conductores ACSR.
El cable ACSR todavía depende de la resistencia a la tracción del aluminio; solo está reforzado por el acero. Debido a esto, su temperatura de funcionamiento continuo está limitada a 75 °C (167 °F), la temperatura a la que el aluminio comienza a recocerse y ablandarse con el tiempo. [2] Para situaciones en las que se requieren temperaturas de funcionamiento más altas, se puede utilizar un cable con conductor de aluminio soportado en acero ( ACSS ).
El núcleo de acero estándar utilizado para ACSR es acero galvanizado, pero también se encuentran disponibles acero revestido con zinc, aleación de aluminio al 5% o 10% y acero revestido con trazas de metal mischmetal (a veces denominado por los nombres comerciales Bezinal o Galfan ) y acero revestido con aluminio (a veces denominado por el nombre comercial Alumoweld). También se puede utilizar acero de mayor resistencia.
En los Estados Unidos, el acero más comúnmente utilizado se denomina GA2 para el acero galvanizado (G) con un espesor de recubrimiento de zinc de clase A (A) y una resistencia normal (2). Los recubrimientos de zinc de clase C son más gruesos que los de clase A y proporcionan una mayor protección contra la corrosión a expensas de una menor resistencia a la tracción. Un núcleo de acero galvanizado de resistencia normal con un espesor de recubrimiento de clase C se denominaría GC2. Los grados de acero de mayor resistencia se denominan de alta resistencia (3), de resistencia extraalta (4) y de resistencia ultraalta (5). Un núcleo de acero galvanizado de resistencia ultraalta con un espesor de recubrimiento de clase A se denominaría GA5. El uso de núcleos de acero de mayor resistencia aumenta la resistencia a la tracción del conductor, lo que permite tensiones más altas, lo que da como resultado una menor flecha.
Los recubrimientos de zinc-aluminio con 5 % de mezcla de metales se designan con una "M". Estos recubrimientos brindan mayor protección contra la corrosión y resistencia al calor en comparación con el zinc solo. El acero de resistencia regular revestido con un espesor de mezcla de metales de clase "A" de resistencia regular se designaría MA2.
El acero revestido de aluminio se designa como "AW". El acero revestido de aluminio ofrece mayor protección contra la corrosión y conductividad a expensas de una menor resistencia a la tracción. El acero revestido de aluminio se especifica comúnmente para aplicaciones costeras.
IEC y CSA utilizan una convención de nomenclatura diferente. El acero más comúnmente utilizado es S1A para el acero de resistencia regular S1 con un revestimiento de clase A. El acero S1 tiene una resistencia a la tracción ligeramente menor que el acero de resistencia regular utilizado en los Estados Unidos. Según las normas canadienses CSA, el grado de resistencia S2A se clasifica como acero de alta resistencia. El material equivalente según las normas ASTM es el grado de resistencia GA2 y se denomina acero de resistencia regular. El grado de resistencia CSA S3A se clasifica como acero de resistencia extra alta. El material equivalente según las normas ASTM es el grado de resistencia GA3, llamado de alta resistencia. Las normas actuales de CSA para conductores eléctricos aéreos aún no reconocen oficialmente los grados GA4 o GA5 equivalentes de ASTM. Las normas actuales de CSA aún no reconocen oficialmente la familia "M" de material de revestimiento de aleación de zinc de ASTM. Las empresas de servicios públicos canadienses están utilizando conductores construidos con aceros de mayor resistencia con el revestimiento de aleación de zinc "M".
La disposición de un conductor se determina mediante cuatro dedos extendidos; la dirección "derecha" o "izquierda" de la disposición se determina dependiendo de si coincide con la dirección de los dedos de la mano derecha o de la mano izquierda respectivamente. Los conductores de aluminio aéreo (AAC, AAAC, ACAR) y ACSR en los EE. UU. siempre se fabrican con la capa conductora externa con una disposición a la derecha. Yendo hacia el centro, cada capa tiene disposiciones alternas. Algunos tipos de conductores (por ejemplo, conductor aéreo de cobre, OPGW , acero EHS) son diferentes y tienen una disposición a la izquierda en el conductor externo. Algunos países sudamericanos especifican una disposición a la izquierda para la capa conductora externa en su ACSR, por lo que estos se enrollan de manera diferente a los utilizados en los EE. UU.
Los conductores ACSR están disponibles en numerosos tamaños específicos, con uno o varios cables de acero centrales y, generalmente, cantidades mayores de hebras de aluminio. Aunque rara vez se utilizan, hay algunos conductores que tienen más hebras de acero que de aluminio. Un conductor ACSR puede denotarse en parte por su trenzado, por ejemplo, un conductor ACSR con 72 hebras de aluminio con un núcleo de 7 hebras de acero se llamará conductor ACSR 72/7. [3] [4] [5] Los cables generalmente varían de AWG #6 ("6/1" - seis conductores de aluminio externos y un conductor de refuerzo de acero) a 2167 kcmil ("72/7" - setenta y dos conductores de aluminio externos y siete conductores de refuerzo de acero).
Para evitar confusiones debido a las numerosas combinaciones de trenzado de los hilos de acero y aluminio, se utilizan palabras clave para especificar una versión específica del conductor. En América del Norte, se utilizan nombres de aves para las palabras clave, mientras que en otros lugares se utilizan nombres de animales. Por ejemplo, en América del Norte, el picogrueso es unConductor ACSR de 322,3 mm2 ( 636 kcmil) con trenzado de aluminio/acero 26/7, mientras que Egret tiene el mismo tamaño total de aluminio (322,3 mm2 , conductor de 636 kcmil) pero con trenzado de aluminio/acero 30/19. Aunque la cantidad de trenzados de aluminio es diferente entre Grosbeak y Egret, se utilizan diferentes tamaños de trenzados de aluminio para compensar el cambio en la cantidad de trenzados de modo que la cantidad total de aluminio permanezca igual. Las diferencias en la cantidad de trenzados de acero dan como resultado pesos variables de la porción de acero y también dan como resultado diferentes diámetros generales del conductor. La mayoría de las empresas de servicios públicos estandarizan una versión específica del conductor cuando hay varias versiones de la misma cantidad de aluminio para evitar problemas relacionados con hardware de diferentes tamaños (como empalmes). Debido a los numerosos tamaños diferentes disponibles, las empresas de servicios públicos a menudo omiten algunos de los tamaños para reducir su inventario. Las diversas versiones de trenzado dan como resultado diferentes características eléctricas y mecánicas.
Los fabricantes de ACSR suelen proporcionar tablas de capacidad de corriente para un conjunto definido de supuestos. Las empresas de servicios públicos suelen aplicar distintas clasificaciones debido al uso de supuestos variables (lo que puede dar como resultado clasificaciones de amperaje más altas o más bajas que las proporcionadas por los fabricantes). Las variables significativas incluyen la velocidad y la dirección del viento en relación con el conductor, la intensidad del sol, la emisividad, la temperatura ambiente y la temperatura máxima del conductor.
En la distribución de energía eléctrica trifásica , los conductores deben diseñarse para tener una impedancia eléctrica baja a fin de garantizar que la potencia perdida en la distribución de energía sea mínima. La impedancia es una combinación de dos cantidades: resistencia y reactancia. Las resistencias de los conductores ASCR están tabuladas para diferentes diseños de conductores por el fabricante a frecuencias de CC y CA asumiendo temperaturas de operación específicas. Las razones por las que la resistencia cambia con la frecuencia se deben en gran medida al efecto pelicular , el efecto de proximidad y la pérdida por histéresis . Dependiendo de la geometría del conductor, que se diferencia por el nombre del conductor, estos fenómenos tienen distintos grados de afectar la resistencia general en el conductor a frecuencias de CA frente a CC.
A menudo, no se tabula con los conductores ACSR la reactancia eléctrica del conductor, que se debe en gran medida al espaciamiento entre los otros conductores que transportan corriente y al radio del conductor. La reactancia del conductor contribuye significativamente a la corriente total que debe viajar a través de la línea y, por lo tanto, contribuye a las pérdidas resistivas en la línea. Para obtener más información sobre la inductancia y la capacitancia de la línea de transmisión, consulte transmisión de energía eléctrica y línea eléctrica aérea .
El efecto pelicular disminuye el área de la sección transversal en la que la corriente viaja a través del conductor a medida que aumenta la frecuencia de CA. Para la corriente alterna, la mayor parte (63%) de la corriente eléctrica fluye entre la superficie y la profundidad de la película, δ, que depende de la frecuencia de la corriente y de las propiedades eléctricas (conductividad) y magnéticas del conductor. Esta disminución del área hace que la resistencia aumente debido a la relación inversa entre la resistencia y el área de la sección transversal del conductor. El efecto pelicular beneficia el diseño, ya que hace que la corriente se concentre hacia el aluminio de baja resistividad en el exterior del conductor. Para ilustrar el impacto del efecto pelicular, la norma de la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM) incluye la conductividad del núcleo de acero al calcular la resistencia de CC y CA del conductor, pero las normas IEC y CSA Group no lo hacen.
En un conductor (ACSR y otros tipos) que transporta corriente alterna, si fluyen corrientes a través de uno o más conductores cercanos, la distribución de la corriente dentro de cada conductor se verá restringida a regiones más pequeñas. El amontonamiento de corriente resultante se denomina efecto de proximidad. Este amontonamiento produce un aumento de la resistencia de corriente alterna efectiva del circuito, siendo el efecto a 60 hercios mayor que a 50 hercios. La geometría, la conductividad y la frecuencia son factores que determinan la cantidad de efecto de proximidad.
El efecto de proximidad es el resultado de un campo magnético cambiante que influye en la distribución de una corriente eléctrica que fluye dentro de un conductor eléctrico debido a la inducción electromagnética. Cuando una corriente alterna (CA) fluye a través de un conductor aislado, crea un campo magnético alterno asociado a su alrededor. El campo magnético alterno induce corrientes parásitas en los conductores adyacentes, alterando la distribución general de la corriente que fluye a través de ellos.
El resultado es que la corriente se concentra en las zonas del conductor más alejadas de los conductores cercanos que llevan corriente en la misma dirección.
La histéresis en un conductor ACSR se debe a que los dipolos atómicos en el núcleo de acero cambian de dirección debido a la inducción de la corriente alterna de 60 o 50 Hertz en el conductor. Las pérdidas por histéresis en ACSR son indeseables y se pueden minimizar utilizando un número par de capas de aluminio en el conductor. Debido al efecto de cancelación del campo magnético de los conductores de disposición opuesta (derecha e izquierda) para dos capas de aluminio, hay significativamente menos pérdida por histéresis en el núcleo de acero que la que habría para una o tres capas de aluminio donde el campo magnético no se cancela.
El efecto de histéresis es despreciable en conductores ACSR con un número par de capas de aluminio, por lo que no se considera en estos casos. Sin embargo, para los conductores ACSR con un número impar de capas de aluminio, se utiliza un factor de magnetización para calcular con precisión la resistencia de CA. El método de corrección para conductores ACSR de una sola capa es diferente al utilizado para conductores de tres capas. Debido a la aplicación del factor de magnetización, un conductor con un número impar de capas tiene una resistencia de CA ligeramente superior a la de un conductor equivalente con un número par de capas.
Debido a mayores pérdidas por histéresis en el acero y al calentamiento asociado del núcleo, un diseño de capa impar tendrá una clasificación de capacidad de corriente más baja (hasta una reducción del 10 %) que un diseño de capa par equivalente.
Todos los conductores ACSR estándar son más pequeños que Partridge (135,2 mm 2 {266,8 kcmil} 26/7 Aluminio/Acero) tienen solo una capa debido a sus pequeños diámetros, por lo que no se pueden evitar las pérdidas por histéresis.
El ACSR se utiliza ampliamente debido a su diseño eficiente y económico. En algunos casos se utilizan variaciones del ACSR estándar (a veces llamado tradicional o convencional) debido a las propiedades especiales que ofrecen, que brindan ventajas suficientes para justificar su costo adicional. Los conductores especiales pueden ser más económicos, ofrecer mayor confiabilidad o brindar una solución única a un problema de diseño que de otro modo sería difícil o imposible.
Los principales tipos de conductores especiales incluyen el "conductor de alambre trapezoidal" (TW), un conductor que tiene hilos de aluminio con forma trapezoidal en lugar de redonda, y el "autoamortiguador" (SD), a veces llamado "conductor autoamortiguador" (SDC). También está disponible un conductor similar, de mayor temperatura, hecho de aluminio recocido, llamado "conductor de aluminio soportado en acero" (ACSS). [6]
Se puede utilizar alambre con forma trapezoidal (TW) en lugar de alambre redondo para "rellenar los espacios" y tener un diámetro total entre un 10 y un 15 % más pequeño para la misma área de sección transversal o un área de sección transversal entre un 20 y un 25 % más grande para el mismo diámetro total.
Ontario Hydro (Hydro One) introdujo diseños de conductores ACSR de alambre con forma trapezoidal en la década de 1980 para reemplazar los diseños ACSR de alambre redondo existentes (los llamaron conductores compactos; estos tipos de conductores ahora se denominan ACSR/TW). Los diseños de alambre con forma trapezoidal (TW) de Ontario Hydro usaban el mismo núcleo de acero, pero aumentaban el contenido de aluminio del conductor para que coincidiera con el diámetro general de los diseños de alambre redondo anteriores (entonces podían usar los mismos accesorios de hardware para los conductores redondos y TW). Los diseños de Hydro One para sus conductores ACSR/TW trapezoidales solo usan un número par de capas de aluminio (ya sea dos capas o cuatro capas). No usan diseños que tengan un número impar de capas (tres capas) debido a que ese diseño incurre en mayores pérdidas por histéresis en el núcleo de acero. También en la década de 1980, Bonneville Power Administration (BPA) introdujo diseños TW donde se aumentó el tamaño del núcleo de acero para mantener la misma relación aluminio/acero.
El conductor autoamortiguador (ACSR/SD) es una tecnología de conductores casi obsoleta y rara vez se utiliza en nuevas instalaciones. Se trata de un conductor trenzado concéntrico y autoamortiguador diseñado para controlar la vibración inducida por el viento (de tipo eólico ) en líneas aéreas de transmisión mediante amortiguación interna. Los conductores autoamortiguadores constan de un núcleo central de uno o más cables de acero redondos rodeados por dos capas de cables de aluminio de forma trapezoidal. Se pueden añadir una o más capas de cables de aluminio redondos según sea necesario.
El conductor SD se diferencia del ACSR convencional en que los cables de aluminio de las dos primeras capas tienen forma y tamaño trapezoidales de modo que cada capa de aluminio forma un tubo trenzado que no se colapsa sobre la capa inferior cuando está bajo tensión, sino que mantiene un pequeño espacio anular entre las capas. Las capas de cables trapezoidales están separadas entre sí y del núcleo de acero por dos espacios anulares más pequeños que permiten el movimiento entre las capas. Las capas de cables de aluminio redondos están en estrecho contacto entre sí y con la capa de cables trapezoidal subyacente.
Bajo vibración, el núcleo de acero y las capas de aluminio vibran con diferentes frecuencias y se produce una amortiguación del impacto. Esta amortiguación del impacto es suficiente para mantener cualquier vibración eólica a un nivel bajo. El uso de hilos trapezoidales también da como resultado un diámetro de conductor reducido para una resistencia de CA dada por milla.
Las principales ventajas del ACSR/SD son:
Las principales desventajas del ACSR/SD son:
El conductor de aluminio soportado en acero (ACSS) parece visualmente similar al ACSR estándar, pero los hilos de aluminio están completamente recocidos. El recocido de los hilos de aluminio reduce la resistencia del conductor compuesto, pero después de la instalación, la elongación permanente de los hilos de aluminio da como resultado un porcentaje mucho mayor de la tensión del conductor que se transmite en el núcleo de acero de lo que es cierto para el ACSR estándar. Esto, a su vez, produce una elongación térmica compuesta reducida y una mayor autoamortiguación.
Las principales ventajas del ACSS son:
Las principales desventajas del ACSS son:
El conductor de par trenzado (TP) (a veces llamado por los nombres comerciales T-2 o VR) tiene los dos subconductores trenzados (generalmente con un paso hacia la izquierda) uno alrededor del otro, generalmente con una longitud de paso de aproximadamente tres metros (nueve pies). [7] [ verificación fallida ] [6]
La sección transversal del conductor del TP es una "figura 8" giratoria. Los subconductores pueden ser cualquier tipo de conductor ACSR estándar, pero los conductores deben coincidir entre sí para proporcionar equilibrio mecánico.
Las principales ventajas del conductor TP son:
Las principales desventajas del conductor TP son:
Muchos circuitos eléctricos son más largos que la longitud del conductor que cabe en un carrete. Como resultado, a menudo es necesario realizar empalmes para unir los conductores y lograr la longitud deseada. Es importante que el empalme no sea el eslabón débil. Un empalme (unión) debe tener una gran resistencia física junto con una alta capacidad de corriente eléctrica. Dentro de las limitaciones del equipo utilizado para instalar el conductor desde los carretes, generalmente se compra una longitud de conductor suficiente para que el carrete pueda acomodar para evitar más empalmes de los absolutamente necesarios.
Los empalmes están diseñados para funcionar a temperaturas más bajas que el conductor. La temperatura del empalme se mantiene más baja al tener una sección transversal más grande y, por lo tanto, una resistencia eléctrica menor que la del conductor. El calor generado en el empalme también se disipa más rápido debido al mayor diámetro del empalme.
Las fallas en los empalmes son motivo de preocupación, ya que una falla en un solo empalme puede causar un corte de energía que afecte una gran cantidad de carga eléctrica.
La mayoría de los empalmes son de tipo compresión ( crimps ). Estos empalmes son económicos y tienen buenas características de resistencia y conductividad.
Algunos empalmes, llamados automáticos, utilizan un diseño de tipo mordaza que es más rápido de instalar (no requiere equipo de compresión pesado) y a menudo se utilizan durante la restauración de tormentas cuando la velocidad de instalación es más importante que el rendimiento a largo plazo del empalme.
Las causas de los fallos de empalme son numerosas. Algunos de los principales modos de fallo están relacionados con problemas de instalación, como: limpieza insuficiente (cepillado con alambre) del conductor para eliminar la capa de óxido de aluminio (que tiene una alta resistencia {es un mal conductor eléctrico}), aplicación incorrecta de grasa conductora, fuerza de compresión inadecuada, lugares de compresión inadecuados o número de compresiones incorrecto.
Las fallas de empalme también pueden deberse a daños por vibración eólica, ya que las pequeñas vibraciones del conductor a lo largo del tiempo causan daños (rotura) de los hilos de aluminio cerca de los extremos del empalme.
En los conductores de tipo SD se requieren empalmes especiales (empalmes de dos piezas), ya que el espacio entre la capa trapezoidal de aluminio y el núcleo de acero impide que la fuerza de compresión sobre el empalme con el núcleo de acero sea adecuada. Un diseño de dos piezas tiene un empalme para el núcleo de acero y un empalme más largo y de mayor diámetro para la parte de aluminio. El empalme exterior debe enroscarse primero y deslizarse a lo largo del conductor y el empalme de acero debe comprimirse primero y luego el empalme exterior se desliza hacia atrás sobre el empalme más pequeño y luego se comprime. Este proceso complicado puede dar lugar fácilmente a un empalme deficiente. [8]
Los empalmes también pueden fallar parcialmente, es decir, presentar una resistencia mayor a la esperada, generalmente después de un tiempo en el campo. Esto se puede detectar mediante una cámara térmica, sondas térmicas y mediciones directas de resistencia, incluso cuando la línea está energizada. Estos empalmes suelen requerir reemplazo, ya sea en una línea desenergizada, haciendo una derivación temporal para reemplazarla o agregando un empalme grande sobre el empalme existente, sin desconectar.
Cuando el ACSR es nuevo, el aluminio tiene una superficie brillante que tiene una baja emisividad para la radiación de calor y una baja absorción de la luz solar. A medida que el conductor envejece, el color se vuelve gris opaco debido a la reacción de oxidación de las hebras de aluminio. En entornos con alta contaminación, el color puede volverse casi negro después de muchos años de exposición a los elementos y productos químicos. Para el conductor envejecido, la emisividad para la radiación de calor y la absorción de la luz solar aumenta. Hay recubrimientos para conductores disponibles que tienen una alta emisividad para la alta radiación de calor y una baja absorción de la luz solar. Estos recubrimientos se aplicarían a los conductores nuevos durante la fabricación. Estos tipos de recubrimientos tienen la capacidad de aumentar potencialmente la clasificación de corriente del conductor ACSR. Para la misma cantidad de amperaje, la temperatura del mismo conductor será menor debido a la mejor disipación de calor del recubrimiento de mayor emisividad. [9]
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