Diseño de Líneas de Transmisión Aéreas

Objetivo

• Esta especificación tiene como objeto definir, tipificar y establecer los lineamientos y requerimientos mínimos que deben cumplir los diseños de Líneas de Transmisión Aéreas a cargo de la Coordinación de Proyectos de Transmisión y Transformación (CPTT).

Campo de Aplicación

• Se aplica al diseño de Líneas de Transmisión con tensiones nominales desde 69 kV hasta 400 kV.

Documentos Aplicables

• NOM-001-SEDE: Instalaciones Eléctricas (Utilización).
• NOM-008-SCFI: Sistema General de Unidades de Medida.
• NMX-H-004-SCFI-2008: Industria siderúrgica-productos de hierro y acero recubiertos con cinc (galvanizados por inmersión en caliente) especificaciones y métodos de prueba.
• NMX-J-150/1-ANCE: Coordinación de Aislamiento Parte 1: Definiciones, Principios y Reglas.
• NMX-J-150/2-ANCE: Coordinación de Aislamiento Parte 2: Guía de Aplicación.
• NRF-005-CFE: Aisladores de suspensión sintéticos para tensiones de 13.8 kV a 138 kV.
• NRF-014-CFE: Derechos de Vía.
• NRF-015-CFE: Requerimientos para la construcción de ductos metálicos, en paralelo y en cruces, con Líneas de Transmisión de 115 kV o mayores.
• NRF-017-CFE: Cable de aluminio con cableado concéntrico y núcleo de acero galvanizado (ACSR).
• NRF-018-CFE: Aisladores tipo suspensión de porcelana o de vidrio templado.
• NRF-042-CFE: Señalización de Líneas de Transmisión aéreas y subterráneas (cables de potencia), para la inspección aérea, tráfico aéreo, marítimo y terrestre.
• NRF-043-CFE: Herrajes y conjuntos de herrajes para Líneas de Transmisión Aéreas con tensiones de 115 kV a 400 kV.
• NRF-044-CFE: Aisladores de suspensión sintéticos para líneas de transmisión en tensiones de 161 kV a 400 kV.
• NRF-058-CFE: Amortiguadores de vibración para líneas de transmisión aéreas con tensiones de operación de 69 kV hasta 400 kV.
• CFE 00J00-52: Red de puesta a tierra para estructuras de líneas de transmisión aéreas de 69 kV a 400 kV en construcción.
• CFE C0000-15: Concreto para la construcción de estructuras y cimentaciones de subestaciones eléctricas de potencia y líneas de transmisión.
• CFE C0000-42: Sistema de anclaje en roca y/o suelo para estructuras de líneas de transmisión y subestaciones.
• CFE C0000-43: Estudios geotécnicos para estructuras de Líneas de Transmisión.
• CFE E0000-18: Cables de aluminio con cableado concéntrico y núcleo de acero con recubrimiento de aluminio soldado (ACSR/AS).
• CFE E0000-21: Cable de guarda con fibras ópticas.
• CFE E0000-22: Cables de guarda.
• CFE JA100-64: Cimentaciones para estructuras de Líneas de Transmisión.
• CFE J6100-54: Postes metálicos para Líneas de Transmisión y Subtransmisión.
• CFE J1000-50: Torres para Líneas de Transmisión y Subtransmisión.
• CFE L0000-57: Sistema de administración de seguridad industrial en CFE.

Definiciones

• Autopista de Primer Orden: Camino público, pavimentado dispuesto para el tránsito de vehículos, vía de circulación de automóviles y vehículos de carga.
  • Dos bandas de circulación, una para cada sentido, separadas a partir de un carril y medio de circulación en cada banda, arcenes laterales, curvas poco pronunciadas, entradas y salidas con carriles.
  • Incluye carreteras estatales, federales a partir de un carril y medio.
• Características Particulares: Documentos técnicos que establecen los requerimientos, valores límite y criterios de carácter general para el diseño de líneas de transmisión.
• Claro Efectivo: Distancia horizontal entre dos estructuras consecutivas.
• Claro Medio Horizontal: Valor obtenido de la semisuma de los claros adyacentes a la estructura de referencia.
• Claro Vertical: Valor de la distancia horizontal existente entre los dos puntos más bajos de las catenarias adyacentes a la estructura de referencia.
• Contratista: Empresa que establece contratos de obra pública o de servicios relacionados con las mismas.
• Contraperfil: Perfiles transversales con respecto al eje de la línea de transmisión.
• Deflexión: Ángulo de cambio de dirección en la trayectoria de la línea de transmisión.
• Documentos Técnicos: Todos los planos, memorias de cálculo, estudios y reportes técnicos que se generen durante el desarrollo del proyecto.
• Entronque: Punto de conexión entre dos líneas de transmisión.
• Fluencia Metálica (Creep): Propiedad de los cables que produce pérdida de la resistencia mecánica del conductor, provocada por las condiciones de carga a las que se ve sometida el cable.
  • Resulta en una deformación permanente de la longitud del cable y un aumento en la magnitud de la flecha, denominado flujo plástico.
• Relación de Aspecto: Relación entre la arista más larga y la normal más corta colocadas desde un vértice a la cara opuesta normalizada con respecto a un tetraedro perfecto.
• Separador-Amortiguador: Dispositivo mecánico que se utiliza para atenuar la amplitud de las vibraciones eólicas en los conjuntos de dos o más cables conductores de una misma fase en líneas de transmisión aéreas.
  • Consiste en grapas que sujetan los conductores y unidas por un marco central.
• Separador Flexible: Dispositivo que se utiliza para mantener separados los cables de una misma fase por medio de varillas preformadas o un elemento rígido con articulaciones.
  • Permite el movimiento relativo entre conductores de fase en todas las direcciones.
• Separador Rígido: Dispositivo que se utiliza para mantener separados los cables de una misma fase por medio de un elemento rígido sin articulaciones en los puntos de sujeción al cable.
  • No permite el movimiento relativo entre conductores de fase en ninguna dirección.
• Stub: Elemento metálico que es la unión entre la estructura y su propia cimentación.
• Temperatura Coincidente: Temperatura ambiente que se presenta con la condición de viento máximo.
• Tensión Mecánica de Diseño: Componente longitudinal (CL) en las estructuras, perpendicular al eje transversal de las crucetas.
  • Capacidad máxima longitudinal de diseño, sin ser afectada por el factor de carga global indicado en la especificación CFE J1000-50.
• Tramo de Tendido del Proyecto: Serie de claros efectivos comprendidos entre dos estructuras de tensión.
• Uso Mecánico de la Estructura: Conjunción de los tres parámetros anteriores deflexión / claro medio horizontal / claro vertical.
• Utilización Eléctrica de la Estructura: Conjunción de los parámetros eléctricos considerados para diseño como es la tensión eléctrica en kilovolt / cantidad de circuitos / cantidad de conductores por fase y altura sobre el nivel del mar.

Acrónimos

• ACI: American Concrete Institute.
• ANSI: American National Standards Institute.
• ASCE: American Society of Civil Engineers.
• ASTM: American Society for Testing and Materials.
• CFE: Comisión Federal de Electricidad.
• CMH: Claro medio horizontal.
• CV: Claro vertical.
• DESD: Densidad equivalente de sal depositada.
• POISE: Programa de Obras e Inversiones del Sector Eléctrico.
• CGFO: Cable de guarda con fibras ópticas.
• CDFO: Cable dieléctrico con fibras ópticas.
• IACS: International Annealed Cooper Standard.

Características y Condiciones Generales

Actividades del Proyecto Electromecánico

• Datos de entrada incluyen características generales del POISE y silueta eléctrica de estructuras para CFE normalizadas y de nuevo diseño.
  • El dimensionamiento eléctrico de la estructura considera utilización eléctrica y mecánica, velocidad regional de viento para un periodo de retorno de 50 años y temperatura máxima de diseño.
  • Se consideran ángulo de blindaje, ángulo de salida del cable en la estructura, altura sobre el nivel del mar y tensión eléctrica máxima de operación.
• Plano general de trayectoria: Se debe utilizar para la ejecución de las actividades previas de CFE para que el Contratista ejecute el levantamiento topográfico.
  • Se aplica la especificación para levantamientos topográficos de líneas de transmisión.
  • Incluye la identificación de la altura sobre el nivel del mar, condiciones orográficas e hidrológicas, cruces con vías de comunicación, cruce con líneas de transmisión, núcleos de población y áreas naturales protegidas.
• Detalle en planta y perfil de llegadas, salidas y entronques: Sirve como referencia para definir llegadas y salidas, tipos de estructuras y su ubicación en subestaciones asignadas.
• Coordinación de aislamiento: Determina la cantidad y tipo de aisladores según NMX-J-150/1-ANCE y NMX-J-150/2-ANCE.
  • Dichas normas establecen requisitos para separaciones mínimas de seguridad entre conductores de líneas aéreas y sus soportes.
• Relación de estructuras: Indica la relación de estructuras normalizadas que se deben seleccionar según las condiciones particulares de cada proyecto.
• Cables y herrajes: CFE define los tipos de cables a considerar en el diseño, con características señaladas en CFE E0000-18, CFE E0000-21, CFE E0000-22 y NRF-017-CFE.
  • Las características de los herrajes se encuentran en la norma NRF-043-CFE.
  • Todos los herrajes deben ser del tipo "libre de efecto corona", adecuados para mantenimiento con línea energizada.
  • Las grapas de suspensión deben diseñarse para absorber variaciones de las pendientes entrada y salida de los cables, sin generar esfuerzos adicionales de fatiga.
  • Para conjuntos de suspensión en postes troncocónicos, estructuras tipo “H” y cadenas en “V”, se deben utilizar herrajes cortos.
• Datos meteorológicos: Consideraciones meteorológicas aplicables al proyecto, como temperaturas regionales, presencia de hielo y velocidades regionales del viento.
  • Velocidades regionales del viento con periodos de retorno de 10 y 50 años y presiones de viento en cables (Pascales), reducidas o máximas asociadas a velocidades regionales.
• Planos de planta, perfil y proyecto: A partir de la trayectoria definida por CFE, se realizan los trabajos de topografía.
  • Se utiliza el ANEXO 7 y la “Especificación para Levantamientos Topográficos de Líneas de Transmisión”.
• Limitaciones ambientales: Aspectos ambientales a considerar dentro de las actividades de diseño, manifestados en los requerimientos de las Características Particulares del proyecto.

Desarrollo del diseño electromecánico

• El diseño electromecánico se podrá realizarse en forma manual o utilizando un software especializado.
  • El diseño debe considerar la localización de estructuras, sistema de tierras, sistema de amortiguamiento y señalización especial.
• Localización de estructuras: Se calcula el parámetro P = T/w [m], donde P es el parámetro en metros, T es la tensión mecánica del cable en kg en un claro interpostal determinado, y W es el peso unitario del cable en kg/m.
• Hipótesis de carga: Tabla 1 indica las hipótesis de carga a considerar en conductor e hilo de guarda con o sin fibras ópticas.
• Fluencia Metálica: Se debe considerar el flujo metálico para el diseño de líneas de transmisión debido a variaciones climáticas, generándose un alargamiento adicional permanente y un aumento en la magnitud de la flecha, denominado flujo plástico.

Metodología para el cálculo de flechas y tensiones

• Métodos:
  • Ecuación de cambio de estado.
  • Deformaciones elásticas provocadas por el cambio de temperatura y el cambio de tensión mecánica.
  • Deformaciones plásticas provocadas por el cambio del módulo de elasticidad debido a la aplicación de tensiones máximas y la fluencia metálica del conductor debida al tiempo.
  • La diferencia de longitud del conductor entre el estado inicial y final es equivalente a la suma de las deformaciones elásticas y plásticas.
  • Se debe aplicar el método de la catenaria que considere la forma geométrica que adopta un cable tendido entre dos puntos de apoyo.
• Método de Elongación Plástica Experimental (EPE):
  • Los cálculos de flechas y tensiones se desarrollan por un conjunto de casos de cargas correspondiendo a estado inicial del conductor (etapa de construcción) a un estado final después de cierto tiempo de construcción y a un tiempo de operación de la línea (10 años).
  • Se debe desarrollar acuerdo al documento SAG-TENSION CALCULATION METHOD OR OVERHEAD LINES, Technical Brochure No. 324, CIGRE, Task Force B2.12.3, particularmente el punto 6.3.
• Elemento finito:
  • La metodología para el cálculo debe ser de acuerdo a los conceptos clásicos de análisis estructural por elemento finito descritos en libros especializados de análisis estructural, (Peyrot and Goulois, 1978 y Peyrot and Goulois, 1979).
  • Se debe determinar la gráfica de esfuerzo-deformación de cada proveedor de cable, permitir calcular flechas y tensiones de múltiples claros y fijar la longitud del cable en cada claro para el impacto de reubicar, insertar estructuras y recortar el cable existente.
• Se puede emplear cualquier software especializado que considere el método de elemento finito en cables conductores y de guarda con y sin fibras ópticas.
• Limitaciones: Las tensiones mecánicas de los cables se deben calcular mediante la ecuación de cambio de estado, elementos finitos o los métodos mencionados anteriormente.
  • La hipótesis de partida para el cálculo de flechas y tensiones debe ser la H1.
  • La tensión mecánica del cable conductor en condiciones de temperatura media diaria sin viento y sin hielo será máximo del 22% respecto a la tensión de ruptura del cable.
  • La tensión mecánica del cable conductor en condiciones de viento máximo o con temperatura mínima con carga de hielo y viento reducido, será máximo del 33 % respecto a la tensión de ruptura del cable.
  • Las condiciones anteriores no deben rebasar la tensión de diseño de la estructura.
  • La tensión mecánica máxima del cable de guarda con y sin fibras ópticas en condiciones de viento máximo o con temperatura mínima con carga de hielo y viento reducido, no debe rebasar la tensión mecánica de diseño de la estructura.
  • Se debe considerar la hipótesis H7-Condición de rayo, además de conservar como mínimo la distancia vertical de separación entre los puntos de enganche del cable de guarda y el cable conductor superior en toda la longitud de la línea de transmisión,
• Para Libramientos: Se considera la condición de temperatura máxima H2, incluyendo el efecto de elongación del cable conductor por envejecimiento de 10 años.
  • Para revisar efectos de cargas ascendentes se deben considerar las tensiones máximas de las hipótesis H3 y H5.
  • Para evaluación del claro vertical debe ser la distancia mayor que resulte de las hipótesis H2 y H4.
  • Para evaluación de cargas desbalanceadas debe verificarse con la hipótesis H5 y H3.

Localización de estructuras

• En los planos de perfil topográfico deben reflejar los tipos y niveles de las estructuras.
  • Se indica los puntos de enganche y la trazado de las catenarias de los cables en la condición H7, considerando el ANEXO 5.
• Se debe tomar en cuenta cruzamientos con líneas de transmisión de diferente tensión eléctrica, considerando que las líneas de transmisión de mayor tensión eléctrica que den instaladas por arriba.
• Para las obras que impliquen entronques, se deben identificar el tramo de tendido, obtener la distribución de estructuras y las tensiones por cable que se impondrán a las nuevas estructuras en el entronque.
  • Las estructuras utilizadas en los entronques deben soportar las máximas solicitaciones durante las maniobras de instalación de cables y durante la operación bajo las diferentes condiciones ambientales.
• En los enlaces debe cumplirse con las distancias eléctricas mínimas requeridas (entre fases y a tierra) para evitar fallas.
• La obtención de los perfiles en cruz es una actividad simultánea para determinar las patas de extensión necesarias para cada torre.
• Cuando las condiciones topográficas obliguen a la utilización de patas de extensión mayores a las incluidas en los diseños proporcionados por CFE, el Contratista debe considerar en el diseño y construcción de la cimentación la prolongación del dado de concreto para poder absorber la diferencia de longitud.
• La justificación debe ser puesta a consideración de CFE adjuntando los perfiles en cruz y las secciones transversales para definir la prolongación del o los dados de cimentación.
• El cálculo de flechas y tensiones para cable conductor y cable de guarda con y sin fibras ópticas es un complemento a la localización de estructuras y se realiza a partir de la ecuación de cambio de estado, el método EPE, o el método elemento finito.
  • Se debe considerar la variación que se presenta entre el punto de sujeción en polea y la fijación final en la clema, y el resultado del cálculo se aplica para el tendido y tensado de los cables.

En Torres autosoportadas

• Los niveles de diseño son los indicados en los planos de cuerpo básico, de montaje y taller.
  • Las extensiones se deben ocupar únicamente para absorber los desniveles en el terreno natural y NO para elevar el nivel de las estructuras.
  • Los niveles máximos a utilizar de las torres autosoportadas se relacionan dependiendo del voltaje.
    • 115kV - Nivel +6
    • 230 kV - Nivel +8,
    • 400 kV - Nivel +10
  • El uso de los niveles superiores que los indicados, únicamente aplica para cruzamientos con líneas de transmisión, vías férreas, carreteras, zonas de huertos

Diseño para instalación de cable conductor en estructuras existentes

• Verificar claros, desniveles y flechas del circuito instalado.
  • A partir de dicha información generar el cálculo de las flechas y tensiones para el tendido del cable conductor, cuidando que queden similares.
  • Se considera el envejecimiento (fluencia metálica) del cable instalado a diez años y la hipótesis para el cálculo de flechas y tensiones debe ser la H1.
• Determinar cantidades y tipos de materiales de instalación permanente por estructura e incluir los herrajes y accesorios para que las cadenas formen un ángulo de 90°.
• Incluir sistema de amortiguamiento, de acuerdo al inciso 6.1.2.4.

Red de puesta a tierra.

• El diseño de la red de puesta a tierra para todas y cada una de las estructuras debe efectuarse según la especificación CFE 00J00-52.
  • En torres, para resistividades de diseño mayores a 10000 Ω-m se debe considerar la instalación de 30 m de contra antena y 6 electrodos verticales separados a cada 6 m desde la pata.
  • En postes, para resistividades mayores a 1000 Ω-m se considera la instalación de acuerdo a las figuras 14A y 14B de la especificación CFE 00J00-52.
• Materiales:
  • Las contra-antenas deben ser alambre de cobre o alambre de acero con recubrimiento de cobre.
  • CFE define el material a utilizar considerando alambre de cobre electrolítico (sección transversal de 33.62 o mayor, conductividad de 97.66%) o cable de acero con recubrimiento soldado (sección transversal de 46.44mm, diámetro nominal de 8.71 mm, resistencia de 1.27481 Ω/km).
  • Se usarían electrodos verticales de acero con recubrimiento de cobre electrolítico de 15.5 mm de diámetro, longitud de 3.0 m y espesor mínimo del recubrimiento de cobre de 0.25 mm, y conexiones soldables tipo exotérmico.

Ingeniería de distribución de cable con fibras ópticas integradas.

• En base a la localización de estructuras previamente determinada, se debe desarrollar la ingeniería de distribución del cable de guarda con fibras ópticas de cada elemento (CGFO).
  • Longitud total del Cable de Guarda con Fibras Ópticas (CGFO), tramos de tendido, ubicación de cajas de empalme y el total de herrajes y accesorios para la instalación del CGFO.
• Las cajas de empalme CGFO-CDFO se deben instalar en el marco de la subestación a una altura de 2.5 m respecto al nivel del piso terminado y a 7 metros en estructuras formadas por maderas o concreto.
  • En torres sera a la altura de la cintura de la misma.
• El CFE determinará la cantidad y tipo de fibras ópticas asicomo la necesidad de instalar regeneradores ópticos.
• Cuando un remate con empalme óptico coincida en una estructura de suspensión, el Contratista debe realizar una revisión local al sistema

Sistema de amortiguamiento

A base de amortiguadores de vibración

• Se refiere al amortiguamiento necesario en cada uno de los claros efectivos a lo largo de la línea de transmisión.
• Evita que se dañen los cables conductores y cables de guarda con fibras ópticas por efecto de vibraciones eólicas e impide la transmisión de esfuerzos adicionales a la estructura.
  • En el caso de uno o dos conductores por fase, usar amortiguadores de vibración que cumplan con la norma NRF-058-CFE y colocar 2 piezas en claros hasta 450m, 4 piezas en claros de 451m - 650m, y 6 piezas en claros de 651 o mayores.

A base de separadores-amortiguadores:

• En el caso de tres o más conductores por fase usar separadores que cumplan su doble función.
• Se debe desarrollar un estudio de amortiguamiento con el objeto de determinar la cantidad y ubicación de estos dispositivos.
• Se debe medir los niveles de vibración y entregar un reporte e interpretación.
• Se debe cumplir con los método de prueba de vibraciones establecido en "Standardization of Conductor Vibration Measurements" IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. Vol. Pas-85, No.1, Jan 1966 y Trasnmission Line Reference Book-Wind Induced COnductor Motion.
• Se deben seguir las recomendaciones del fabricante y entregar la información sobre catálogo, ficha técnica e instalación de los separadores

Señalización

Se refiere a la señalización que se debe considerar para las líneas de transmisión de acuerdo a lo indicado en la norma NRF-042-CFE.

Restricciones del diseño electromecánico

• Estructuras de deflexión y remate deben estar localizadas de tal forma que la flecha de los cables conductoresy cables de guarda permitan una recuperación mínima de 10 cm para liberar a los conectores.
• EL contratista debe asegurarse de que las condiciones mecánicas de las torres en la vida útil de la línea, no superen las condiciones de diseño
• Las utilizaciones máximas deben ser las indicadas en las Características Particulares del proyecto y en la relación de estructuras Normalizadas, y en caso contrario deberá comprobarse que cumplan con cargas de diseño.
• En todas las estructura con deflexión mayor a 15, debe instalarse una cadena auxiliar de aisladores en suspension

En Estructuras:

• En las estructuras que tengan tiros ascendentes o tensiones longitudinales debe colocarse un remate
• Cuando haya desbalanceo entre claros el contratista debe revisar y ejecutar las adecuaciones
• Si obliga la topografía a estructuras con tiros ascendentes, deben ser revisadas las propuestas y notificadas a la CFE

Actividades del Diseño Civil

Diseño de las estructuras

• El diseño de las estructuras debe apegarse a las especificaciones CFE J1000-50 у J6100-54
• Realizar el análisis y revisión al diseño estructural de las torres autoportadas, para alojar dos cables de hilo de guarda con fibras ópticas.
• Calcular el diseño longitudinal de las crucetas del hilo de guarda
• Calcular las cargas factorizadas en el análisis y diseño
• Para los cables conductores y los elementos se deben considerar las cargas

Considerations generales para Estructuras tipo Torre

1. Deformación vertical y longitudinal restringida al 3% de su longitud en condición de tendido o 1% bajo condiciones de uso
   • A los brazos, placas de conexión y bases, debe aplicarse el método matemático para elementos finitos, con una malla no mayor a 3 cm y relación de aspecto del 90%.
2. Protección anti hurto:
   • Los tramos descritos deben llevar punteado con Soldadura ó Golpe
   • Deben suministrarse tornillos anti hurto, que cumplan:
   • Instalación rápida y fácil.
   • Bajo costo de implementación en el cambio de tornillos convencionales, alta resistencia al desgaste y corrosión, para un tornillo versátil y reusable.

Documentacion del diseño electromecánico y civil:

• Los documentos deben tener el diseño ejecutado, revisado, verificado, y validado por los ingenieros
• Deben ser como mínimo los descritos en este reglamento
• Previo a su envío de la documentación, debe tener sello con estampa aprobatorio