INTRoduccIÓN

Las Torres de Transmisión de Alta Tensión son las responsables de transportar la energía eléctrica desde la fuente de Generación hasta el sistema de Distribución

Estas Líneas de Transmisión consisten principalmente en estructuras, compuestas por conductores, aisladores, soportes y cables de protección El óptimo diseño de las Líneas de Transmisión es importante cuando el sitio de generación se encuentra geográficamente alejado respecto de los centros de población, como en el caso de muchas represas hidroeléctricas en América del Norte y América del Sur En la mayoría de los casos, el diseño de Líneas de Transmisión se basan en casos de carga estática, carga ambiental, datos estadísticos de la acumulación de viento y hielo Informes anteriores de colapsos en Líneas de Transmisión, debido a condiciones climáticas, incluyendo vientos de tormenta de alta intensidad, enfatizan la importancia de profundizar la investigación sobre la interacción de estos tipos de vientos con las Líneas de Transmisión

(De Bortoli y otros, 2009)

Las vibraciones de interacción entre conductores y estructura, como el cambio de velocidad de diseño del viento, no son considerados en las especificaciones actuales de cálculo para el dimensionamiento de la misma

La siguiente revisión muestra un análisis capaz de detallar las cargas y factores naturales que afectan a la estructura Torre y Línea en forma dinámica

1. vIeNTos dowNBuRsT (RáfAGAs desceNdeNTes)

Un downburst se define como una corriente descendente intensa de aire que induce un viento con altas velocidades, en todas direcciones, al golpear el suelo

Fujita (1985) definió como una masa del aire frío y húmedo que desciende repentinamente de la base de la nube de tormenta, incidiendo sobre la superficie del suelo, y luego, divergiendo horizontalmente desde su centro de impacto, como se muestra en la Figura 1

1.1 Mediciones de campo

Los trabajos de campo que actualmente se ofrecen sobre estos tipos de vientos, incluyen investigaciones y estudios meteorológicos ejecutados en el Norte de Illinois, Aeropuertos Internacionales informados por Fujita (1990), y estudios operacionales sobre clima de FAA/Lincoln Laboratory (FLOWS) reportados por Wolfson y otros (1985) Debido a su presentación muy localizada, el número de mediciones disponible es escaso, por ello, la mayor parte de la investigación se basa en modelos numéricos o modelos físicos en condiciones controladas a escala reducida, buscando predecir su comportamiento y la respuesta de las estructuras ante tales eventos

1 2 Modelado numérico

A continuación, se realiza una breve descripción de los tres modelos numéricos, los cuales usualmente, se utilizan para reproducir este evento

1.2.1 Anillo de vórtice

En un anillo típico de vórtice, las partículas de fluido se mueven en trayectorias circulares alrededor de un círculo imaginario (el núcleo), perpendicular a esas trayectorias Como en cualquier vórtice, la velocidad del fluido es constante, excepto cerca del núcleo, de modo que la velocidad angular aumenta hacia el núcleo, y la mayoría de la vorticidad se concentra cerca de él, como muestra la Figura 2.

Existen diferentes modelo de anillos de vórtice entre los que se destacan: “Modelo de anillo de vórtice (Zhu y Etkin, 1985; Ivan, 1986; Vicroy, 1992; Savory et al , 2001)”, simula el anillo de vórtice que se forma durante el descenso de la columna de aire de tiro descendente, reportado por Savory et al. (2001).

El modelo de chorro de choque, se basa en la analogía utilizando un chorro impulsivo y una superficie plana (Fujita, 1985) La Figura 3 explicita el desarrollo y su perfil de velocidad de salida.

Con el análisis de modelos en CFD de chorro impactante, pudieron calcular una componente vertical (axial) y horizontal (radial) de la velocidad La Figura 4 ilustra en planta un modelo de chorro impactante, las variables espaciales, diámetro del chorro (DJ) y la ubicación del centro de downburst relativo a la Torre en coordenadas polares.

Shehata y otros (2005) realizaron un extenso estudio paramétrico para investigar los perfiles de viento downburst, obteniendo el perfil de velocidad máxima

El Damatty y otros (2013), informaron que puede considerarse como una velocidad de referencia de diseño a 10 m de altura Estas experiencias presentan el comportamiento significativo de la componente vertical (dirección axial) de la velocidad del viento Se observa que el aumento de la velocidad es mayor respecto de la componente horizontal (dirección longitudinal) del sistema Los valores de velocidad obtenidos en los modelos corroboran con los logrados en los ensayos experimentales Por esta razón, es importante tener en cuenta esos valores de velocidad de perfiles para su posterior análisis en los diseños de estructuras en Líneas de Torres de alta tensión vés de la reproducción de la variación espacial de la velocidad media)

2. ModeLAdo y sIMuLAcIÓN

Los estudios actuales sugieren que la investigación sobre la carga de viento estática de la estructura de la línea de la Torre no es suficiente para reducir accidentes y mejorar la fiabilidad de la línea de Transmisión, en particular, bajo fuertes condiciones de viento Para evaluar la estabilidad de un sistema de Torre-línea, se introdujo la comparación entre cargas estáticas y dinámicas, tomando como objeto de estudio la línea de Transmisión Leiwen que pertenece a China Southern Power Grid Limited Company

El método de la fuente de enfriamiento se basa en la introducción de la corriente vertical descendente implementado a través de una fuente de enfriamiento dentro del dominio computacional que simula la disminución de la temperatura en la base de la nube, aumentando la densidad del aire hasta provocar su descenso de forma repentina. La Figura 5 ofrece un esquema del modelo descripto

De acuerdo con la estructura real de la línea de Transmisión, se generó un modelo de análisis de elemento finito que contiene tres Torres y dos segmentos de Línea, como muestra la Figura 6, los vanos entre las tres Torres se encuentran a 339 y 327 metros, respectivamente, se utilizó como software de análisis dinámico el programa Ansys Se diseñó la Línea de Transmisión para una velocidad máxima del viento de 35 m/s a una altura de 10 m

Mason et al (2009) implementaron el método de fuente de enfriamiento basado en un método seco, no hidrostático, sub-nube y modelo asimétrico. Los códigos de diseño definen la velocidad del viento como la suma de una velocidad media constante y una velocidad fluctuante (la mayoría de los estudios focalizan la caracterización de estos eventos, únicamente, a tra-

2 1 Simulaci N De Carga De Viento

La velocidad de 35 m/s a la altura de 10 m se establece como valor promedio La variación de la velocidad del viento, en general, tiende a aumentar con un incremento de altura de la estructura, obstaculizando la simulación de la velocidad en cada nodo El modelo final de elementos finitos es mostrado en la Figura 7

La velocidad del viento se considera como la carga, convirtiéndose en valores de presión, aplicados en las Torres y Líneas Por lo tanto, el procedimiento adoptado en el presente estudio, es la discretización de la Torre y la selección de nodos de altura promedio de cada sección, como puntos representativos

Se analizaron distintas distribuciones de la tensión debido a cargas de viento provocados por diferentes ángulos de incidencia sobre la Torre La simulación indica que la tensión de compresión máxima se produce, especialmente, en las barras principales, cerca del pie de la Torre Para evaluar la estabilidad del sistema Torre-Línea, la tensión máxima en la Torre se obtiene del análisis dinámico La distribución de la tensión en la Torre presenta una variación constante en la velocidad instantánea, lo cual conduce a un cambio en la ubicación de la tensión máxima y, ocasionalmente, obstaculiza la extracción de información en ese lugar Como se muestra en la Figura 8, a medida que aumenta la tensión, la relación se convierte en no lineal Además, a medida que se incrementa la velocidad del viento, el efecto del ángulo se vuelve más prominente, demostrando así que la función exponencial se puede utilizar para describir la relación entre la máxima tensión y la velocidad del viento

2.2 La relación entre tensión, velocidad y dirección del viento

Bajo diferentes condiciones de viento, la Torre exhibe diferentes dinámicas. La relación entre la tensión, la velocidad del viento y su dirección, se observa en la Figura 9 En ordenadas se ubica la tensión en Mpa, en abscisas, la velocidad del viento, y sobre el eje de cotas, la dirección del viento en grados

Relación entre la carga del viento y la tensión

Modelo discretiz ado de la Torre

Variación entre tensión, velocidad y dirección del viento

2 3 Modelo aeroelástico

La interacción del sistema meteorológico y estructural produce una respuesta de la Torre que se amplifica notablemente debido a la existencia de conductores Cuando se trata de analizar la vibración en el sistema de Línea y Torre, usualmente, se aplica el modelo aeroelástico La Figura 10 exhibe los componentes de un sistema Línea y Torre

Huang et al (2012) investigaron el modelo aeroelástico en un sistema de Líneas y Torres de largo alcance, cuya altura real trepó a los 370 m. Este estudio experimental se concentró en la carga de ráfagas y el factor de respuesta dinámica de la Torre Liang et al (2015) diseñó una prueba para un sistema de Línea y Torre de Transmisión de 500 kV, donde se discutieron las propiedades dinámicas de la Torre, con y sin Líneas El estudio analítico-numérico sobre las respuestas inducidas por el viento en el sistema Línea y Torre, también fue abordado por otros investigadores Se construyeron modelos dinámicos del sistema Línea y Torre, utilizándose para analizar la estabilidad de la Torre sometidas a vientos fuertes (Yasui et al , 1999; Battista et al , 2003)

La vibración inducida por el viento en el sistema de Líneas y Torres, es compleja y los problemas que pueden ocurrir son diversos, por ello, los investigadores prestan atención a diferentes aspectos

La literatura reciente se refiere al comportamiento dinámico de los conductores, como el galope, la vibración eólica y el amortiguamiento (Yan y otros, 2012; Barry y otros, 2013) Otros estudios se centran en el comportamiento mecánico y la seguridad de la Torre bajo la acción del viento (Klinger et al , 2011; Rao y otros, 2010) Como sistema, la Torre y el Conductor se influyen mutuamente, por lo que el efecto de vibración de acoplamiento siempre permanece presente

A diferencia de la Torre única, el sistema de Línea y Torre muestra diferentes modos de vibración, debido a la existencia de cables

Atento a ello, las frecuencias naturales de la Torre se reducen ligeramente y las relaciones de amortiguamiento aumentan notablemente. Con el fin de explorar la propiedad dinámica del sistema de Línea y Torre, verificando el modelo de prueba, se construyó un modelo numérico como muestra la Figura 11

2.4 propiedades dinámicas del sistema Torre-Línea y Torre

Los resultados obtenidos indicaron que las propiedades dinámicas del sistema Línea y Torre, estarían más influenciadas por la vibración de los conductores respecto del sistema de Torre sola La Figura 12, presenta la ubicación de los sensores y la dirección del viento para el análisis

Las variaciones de desplazamiento y tensión dinámica en sistemas de Torre y Línea, se producen en todos sus componentes, y en mayor grado, sobre la parte superior de la Torre, amplificándose con el aumento de la velocidad del viento y la longitud de la línea

De acuerdo con las conclusiones anteriores, se puede pensar que para la propia Torre, su comportamiento dinámico no es tan susceptible al cambio de velocidad del viento, pero cuando se conectan cables a la misma, el incremento de tensión debido al movimiento de los cables bajo carga de viento, es considerable

El cable es el componente que conduce a la variación de las propiedades dinámicas del sistema Línea y Torre, por lo tanto, esos resultados deben ser considerados a la hora de diseñar estructuras de ese tipo