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1. Introducción al sistema eléctrico 1.1 Generalidades Un sistema eléctrico está formado por un grupo generador, líneas de transmisión para el transporte de la energía eléctrica generada y una red de distribución hasta llegar al usuario. El sistema eléctrico paraguayo se caracteriza por tener un sistema de generación casi el 100% hidroeléctrico, por lo tanto renovable, siendo la Central Acaray de propiedad de la ANDE y las Centrales Binacionales Itaipú y Yacyretá en condominio con el Brasil y Argentina respectivamente, con quienes el Paraguay comparte el 50% de la energía generada. La energía eléctrica es una de las formas de energía que más fácil y lejos se puede transportar y que más usos y aplicaciones ofrece a la vida cotidiana.
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El objeto del presente documento es servir de manual de apoyo al profesional, técnico y estudiante del área eléctrica que desean contar con informaciones, criterios y experiencias para el desarrollo de Proyectos, Cálculos y Montajes de Líneas de Transmisión en Media y Baja Tensión. 1.2 Reglamentaciones Toda actividad relacionada con la elaboración e implementación de proyectos de instalaciones de infraestructuras eléctricas nuevas, modificaciones y/o ampliaciones de instalaciones existentes, requiere la utilización de Normas y Reglamentos Técnicos Nacionales y/o Internacionales a las cuales deberán ajustarse, cualquiera sea el nivel de tensión normalizado de dichas instalaciones.
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Para las obras eléctricas, la Administración Nacional de Electricidad (ANDE) aplica los siguientes Reglamentos: a) Reglamento para Instalaciones Eléctricas de Baja Tensión: Aprobado por Resolución Nº 146/71 del Consejo de Administración en el año 1971, cuyo alcance esta dirigido a las instalaciones de baja tensión conectadas y a ser conectadas a las redes de la ANDE. b) Reglamento para Instalaciones Eléctricas de Media Tensión: Aprobado por Resolución Nº 062/75 del Consejo de Administración en el año 1975, cuyo alcance esta dirigido a las instalaciones eléctricas de media tensión conectadas y a ser conectadas a las redes de la ANDE, y a las de aquellas que explotan los servicios de generación, transmisión y/o distribución de energía eléctrica, autorizadas por ANDE.
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Es importante resaltar aquí, que la ANDE no tiene una Reglamentación propia de Líneas Aéreas Exteriores y Subterráneas de Baja, Media y Alta Tensión. Por ello utiliza las Normas de países vecinos (como Brasil y Argentina) o Normas Internacionales como la DIN y VDE. c) Norma Paraguaya NP 2 028 96 “Instalaciones Eléctricas de Baja Tensión” - Segunda edición - 2013.
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2. Elementos constitutivos de las líneas de transporte de distribución en M.T. y B.T. 2.1 Conductores Utilizados en las Líneas Eléctricas Los conductores más utilizados en B.T. y en M.T. son: 1) Conductores sin aislamiento o desnudos, formados por los materiales siguientes: a) Cobre duro, los cuales pueden ser de: • Alambre de cobre electrolítico. • Cable de cobre electrolítico, formado por alambres cableados en capas concéntricas. • Cables de cobre con alma de acero.
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b) Aluminio, se utiliza en forma de cable: • Cable de aleación de aluminio con silicio y magnesio (Almelec). • Cable de aluminio con alma de acero (CAA). Formado por varios alambres de aluminio, cableados sobre alambres de acero galvanizado (fig. 1). • Cable de aluminio con alma de acero (CAA), de tipo comprimido. Formado por hilos sectoriales de aluminio comprimidos sobre un alambre de acero. • Cable de aluminio con alma de acero (CAA), de tipo comprimido. Formado por hilos sectoriales de aluminio comprimidos sobre un alambre de acero.
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c) Acero galvanizado, utilizado formando parte de cables y en los conductores de tierra, que en líneas de M.T. y A.T. van tendidos sobre la línea para protección contra descargas atmosféricas (Cable de Guardia). Actualmente los conductores sin aislamiento (conductores desnudos), se usan casi exclusivamente en líneas de A.T.
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Figura 1.
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2) Conductores con aislamiento. Los cables eléctricos aislados están formados básicamente por conductor rodeado de aislante, pero tienen otros elementos (fig. 2) para dar al cable resistencia mecánica, resistencia a los agentes atmosféricos, etc. Conductores. Los conductores más utilizados en los cables aislados son: • Cobre. Se utilizan cobre recocido de resistividad a 20º C, ρ ~ 0,018 Ω mm²/m y carga de rotura 20 kp/mm². ~ • Aluminio. A igualdad de resistencia eléctrica el peso de aluminio es la mitad que el cobre. Su resistividad eléctrica a 20º C, ρ ~ 0,028 Ω mm²/m y la carga de rotura 15 kp/mm².
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• Almelec. Aleación de aluminio con pequeñas proporciones de silicio y magnesio. Su resistividad a 20º C, ρ ~ 0,032 Ω mm²/m y carga de rotura es el doble que ~ el aluminio. • Otros materiales, como el plomo (pantallas protectoras) y el acero (armaduras), pueden funcionar ocasionalmente como conductores. Aislantes. Los materiales aislantes más empleados en M.T. y en B.T. son a base de material plástico: • Termoplásticos. Se reblandecen con el calor, como el policloruro de vinilo PVC (utilizados en B.T.) y el polietileno PE (utilizado en M.T.).
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• Termoestables. No funden al aumentar la temperatura. Se emplea el etileno-propileno EPR, polietileno reticulado XLPE, utilizados en M.T. y B.T.; goma natural y goma butílica (que esta siendo sustituida por EPR).
• Otros aislantes utilizados son a base de siliconas y plásticos, con baja emisión de gases tóxicos y humos, resistentes a altas temperaturas, a la llama o a determinados ambientes. El cable aislado con papel impregnado en aceite y con cubierta de plomo se está usando cada vez menos actualmente.
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Pantalla Metálica: Se utilizan para mejorar la distribución del campo eléctrico del cable. Sirve para confinar el campo eléctrico dentro del conductor. Se conectan a tierra. Se utilizan como pantallas hilos o mallas de cobre, hojas de aluminio, fundas de plomo, etc. Se coloca debajo de la cubierta. Pantalla semiconductora: Se colocan sobre el aislante para aumentar la resistencia mecánica del cable. Se utilizan flejes de acero o hilos de acero arrollados sobre el cable. Cubiertas de PVC: Protegen al aislante de efectos atmosféricos y daños mecánicos. Se utilizan diversos tipos de plásticos.
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Figura 2.
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Los tipos de cables aislados más utilizados son: a) En líneas aéreas. Se utilizan en B.T. y en M.T. conductores de aluminio formados por cables unipolares aislados con polietileno reticulado o etileno propileno, trenzados en haz sobre un fiador de Almelec o de acero tipo Multiplexado (fig. 3). b) En líneas subterráneas. Se utilizan en B.T. y en M.T. cables de aluminio o de cobre con aislamiento seco (plástico) o con papel impregnado. c) En instalaciones interiores. Se utilizan conductores de cobre con aislamiento de plástico.
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Cables Cuadruplex Los cables cuadruplex están constituido de tres conductores de aluminio aislado, torcidos sobre un conductor neutro de retención. A) Conductor de fase: Cable de aluminio. B) Aislación polietileno termoplástico (PE) o polietileno reticulado (XLPE). C) Conductor neutro de retención: Cable de aluminio tipo (CA), cable de aluminio con alma de acero (CAA) o cable de aluminio tipo liga 6201 (CAL).
Figura 3.
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2.2 Designación de Conductores Aislados en Media y Baja Tensión Las siguientes tablas son tomadas en la norma española para cables subterráneos y aéreos: Cables con tensión nominal hasta 750 V más utilizados
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2.3 Aisladores Aíslan al conductor que forma la línea del apoyo que lo soporta. Se fabrican en porcelana esmaltada, vidrio templado y esteatita con resina epoxi u otro material sintético que ofrezca las mismas características mecánicas y eléctricas que los citados en primer término.
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Los aisladores se clasifican en varios tipos: 1) Aisladores fijos, que pueden ser simples (de una pieza) o compuestos (de varias piezas). 2) Aisladores en cadena o suspendidos, que pueden ser de caperuza y rótula o aisladores macizos. 3) Aisladores con montura metálica, que llevan piezas metálicas para sujetar al conductor. 4) Aisladores pasantes o pasamuros, con un agujero longitudinal para pasar el conductor. 5) Aisladores de barra o bastón, que son de gran longitud y sin partes metálicas entre soportes y conductor.
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2.4 Aisladores de Amarre o de tracción en Líneas de Media Tensión En las líneas aéreas de media tensión de 23 kV se utilizan aisladores en forma de campana con caperuza y rótula o horquilla con ojal, como se indica en la figura 4.
Figura 4.
Los elementos aisladores son de vidrio templado y soportan cada uno unos 10 kV. Se consideran distintos niveles de aislamiento según el tipo de aislador utilizado y el número de ellos que forman la cadena. Los elementos aisladores más utilizados para líneas de 23 kV y sus características se indican en la figura 5.
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Aislador Polimérico de 23 kV
Figura 5.
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En las líneas de distribución de media tensión, ANDE solo utiliza Cadena de Tensión o de Amarre, que están formadas por una horquilla de bola que une la cadena a la cruceta, tres aisladores de vidrio y una rótula guardacabos con amarre preformado. Se utiliza en puntos de anclaje o fin de línea. Actualmente se utiliza también aisladores sintéticos de composite (Aislador Polimérico fig.5).
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2.5 Apoyos Son los elementos de la línea aérea que soportan los conductores y demás elementos de la línea separándolos del terreno. 1) Según el tipo de material, pueden ser: a) Madera, con tratamiento contra la putrefacción en BT. b) Hormigón armado, fabricado con distintas técnicas: vibrado, pretensado y centrifugado en BT y MT. c) Metálicos de acero, de forma tubular o troncocónico, de perfiles laminados y de chapa metálica en MT. 2) Según la función de los apoyos en la línea, estos se clasifican en: a) Apoyos de alineación, que sostienen los conductores y cables de tierra.
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b) Apoyos de ángulo, que sostienen la línea en los vértices de los ángulos del trazado. c) Apoyos de anclaje, que proporcionan puntos firmes a la línea. d) Apoyos de fin de línea, que soportan las tensiones de toda la línea. e) Apoyos especiales, utilizados para cruce de ríos, carreteras, bifurcaciones de línea, etc.
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2.6 Postes de Hormigón en Media y Baja Tensión En las líneas de distribución en M.T. y B.T. se suelen utilizar postes de hormigón vibrado y reforzados. (fig. 6). - Designación Se nombran por las letras HV (hormigón vibrado) seguidas del esfuerzo nominal en kg, la letra R (si es reforzado) o N (en poste normal), la altura en metros y la palabra ANDE. Así el poste HV-12/200-R-ANDE, es el poste de hormigón vibrado de esfuerzo nominal 200 kg, reforzado y de altura 12 m.
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- Esfuerzo nominal El esfuerzo nominal se identifica por el color de que está pintada la punta del poste. El poste normal soporta el esfuerzo nominal según la dirección principal a 0,25 m por debajo de la punta. El poste reforzado soporta el esfuerzo nominal F según la dirección principal a 0,25 m por debajo de la punta o un esfuerzo útil 0,9F a una distancia de 0,75 m por encima de la punta, que representa la posición resultante de la presión de los esfuerzos aplicados. Estos esfuerzos se consideran con un coeficiente de seguridad de 2,5 o 3 aplicados simultáneamente con el esfuerzo resultante de la presión del viento de 130 kg/m² en su mismo sentido sobre la superficie libre del poste.
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- Esfuerzo secundario Es el esfuerzo máximo Fs que puede soportar un poste en dirección secundaria aplicado a 0,25 m por debajo de la punta con un coeficiente de seguridad igual para el esfuerzo nominal. - Cimentación Se utiliza para la cimentación hormigón con dosificación de 200 kg/m² y resistencia mecánica mínima de 120 kg/m². (Se utilizan 1350 kg de piedra triturada, 675 kg de arena seca, 180 litros de agua y 200 kg de cemento Pórtland).
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Los macizos de cimentación, quedan a unos 10 cm por encima del terreno y con una pequeña pendiente como vierte-aguas. (fig. 7). La profundidad a enterrar el poste se calcula a traves de la fórmula h = H/10 + 0,6. Dónde H es la longitud total de la columna. Para suelos normales. Si la columna es de 12 m. La profundidad será h = 12/10 + 0,60 = 1,2 + 0,6 = 1,80 m
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- Excavación de pozos para alojamientos de poste Los pozos donde se erguirán los postes, deben ser excavados en los puntos determinados durante el proceso de marcación del trazado, estando la profundidad y tamaño de los mismos en función a las dimensiones de los postes a ser instalados. Para determinar la sección del pozo, se tendrá la siguiente relación: a = D + 30 cm b = d + 30 cm Donde D y d son las dimensiones de la sección del poste en el extremo a empotrar y a y b son las dimensiones de la sección del pozo.
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Deben tenerse en cuenta que todos los postes erguidos deben estar alineados y en los casos de las veredas con cordones, el centro del pozo quedará como mínimo, a 50 cm, de los mismos. Se debe tomar nota de los tipos de veredas que son dañadas en esta operación, a los efectos de su posterior reposición. Cimentación normal: El pozo con la columna será rellenado con la tierra sacada de la zanja en su totalidad y compactada en la parte superior se colocará hormigón para evitar la erosión de la tierra.
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Cimentación reforzada tipo I: La zanja con la columna se dividirá en 3 partes, en el primer tercio se colocará el hormigón en proporción 1:3:7 (CAP, Cemento Arena Piedra más Agua), luego se colocará tierra y la misma será apisonada y el último tercio será rellenado nuevamente con hormigón 1:3:7 (CAP). Cimentación reforzada tipo II (RCRII): Se rellenará con una mezcla de cemento tipo 1, piedra triturada de 4ta. y arena lavada de río en una proporción 1:3:7 (CAP). Los pozos serán rellenados con la mezcla de hormigón en su totalidad, la capa superior se rellenará y compactará con material sobrante de la excavación. El material sobrante de la excavación, se cargará y apisonará alrededor del poste, en todos aquellos lugares, en que no se tiene vereda con baldosas y otro material sustituto, ladrillo, piedra losa, hormigón y otros.
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-Ducto para el conductor de tierra Se colocará dentro de la columna de HºAº, un ducto de polipropileno o poliefileno, de 1/2” o 5/8” de diámetro. Para una columna de 12:300, el ducto está de la curva a 370 cm. Y de la base a 130 cm. - Bornes de puesta a tierra de los apoyos El poste lleva en la cara más estrecha dos bornes de puesta a tierra, con tornillos galvanizados. Uno a 2 m por debajo de la punta y otro a una distancia de la base, tal que no sobresalga sobre la superficie del suelo.
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- Identificación Situado aproximadamente a 4 m de la base del poste está colocada una placa de identificación (con el nombre del fabricante, fecha de fabricación, número de serie y designación), y en las líneas de M.T. una placa de riesgo eléctrico. Los postes o torres para soportes de líneas aéreas serán calculados para resistir a la resultante de todos los esfuerzos de montaje y ruptura de líneas. Ver Anexo 9 del RMT.
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2.7 Crucetas Sujetan los soportes de los aisladores a los apoyos. Podrán ser de concreto, de acero o de madera adecuada y tratada contra acción de la intemperie. Los accesorios de fijación serán de acero galvanizado. Las crucetas y accesorios de fijación serán dimensionadas para resistir a la resultante de los esfuerzos mecánicos provenientes de la aplicación de los conductores, más el desequilibrio resultante de la ruptura de línea, en el caso más desfavorable. Se también crucetas de fibra de vidrio, que están reemplazando a las crucetas de madera
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2.8 Herrajes Son los soportes de los aisladores, construidos de acero galvanizado, que sujetan el aislador a la cruceta. En los cables trenzados los herrajes son ganchos de acero galvanizado para amarre o suspensión del haz al apoyo. La sujeción del herraje se realiza según el tipo de aislador: Aislador fijo: se une al herraje mediante yeso o cemento, en líneas de media tensión (fig. 8) y en baja tensión (fig. 9).Estos aisladores rígidos se utilizan en apoyos de madera.
Figura 8. Figura 9. Aislador MT
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Los aisladores tipo anclaje, así como los herrajes y morsetería correspondiente, deberán estar dimensionados para resistir la tensión mecánica de los conductores en las condiciones más desfavorables. Cualquiera sea la tensión de servicio de la línea, cada cadena de anclaje deberá estar constituida de por lo menos dos elementos aisladores del nivel de tensión adecuado, con características constructivas tales que sujeten los conductores aún cuando la parte aislante esté rota. Los aisladores a ser usados en líneas aéreas de media tensión, tanto los de perno como los de anclaje, deberán corresponder a las especificaciones Técnicas dadas en el Anexo Nº 16, hoja 2 del RMT.
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2.9 Ataduras o Fijación de Conductores sobre Aisladores Los conductores serán fijados sobre los aisladores por medio de ataduras adecuadas realizadas con alambre de atar específicamente recomendado para cada tipo de conductor. Preferiblemente estas ataduras deberán permitir su remoción estando la línea con tensión. En el caso de conductores de aluminio, éstos deberán llevar una cinta protectora del mismo material entre la atadura y la periferia de los mismos, conforme figura 10 (Anexo 17 del R.M.T.), que también indican la manera de practicar las ataduras más comunes.
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En los anclajes o ángulos, se recomienda proteger el conductor de aluminio con la cinta de armar en los lugares donde el mismo va tomado por las prensas, pinzas y cualquier elemento de morsetería. Para la realización de ataduras, en general, se recomienda el empleo de alambres de atar preformados, dada la facilidad de su instalación y remoción y la seguridad que ofrece.
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Figura 10.
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2.10 Empalmes y Derivaciones en las Líneas Aéreas de Media Tensión Se llama empalme a la unión de conductores que asegura su continuidad eléctrica y mecánica. El Reglamento de Media Tensión dice que: Las uniones o empalmes de los conductores serán ejecutadas de modo a asegurar el perfecto y permanente contacto eléctrico y continuidad de las características mecánicas del conductor y nunca serán hechas sobre aisladores. La soldadura preparada con base de estaño y plomo no será considerada como parte activa mecánica.
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Los empalmes no deberán aumentar la resistencia eléctrica del conductor y podrán soportar sin deslizamiento ni rotura el 90 % de la carga de rotura del cable empalmado. No se puede utilizar empalmes por soldadura a tope, ni colocar más de un empalme por vano y conductor excepto caso de reparación de avería. Se llama conexión a la unión de conductores que asegura su continuidad eléctrica. La conexión no debe aumentar la resistencia eléctrica del conductor. La unión de conductores de distinta sección o naturaleza se realiza en el puente de conexión de las cadenas horizontales de amarre y se harán exclusivamente con conectores apropiados que impidan la corrosión.
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Los empalmes a plena tracción para los conductores de aluminio acero utilizados en línea aéreas de media tensión se hacen mediante un manguito de unión por engastado (fig. 11). Se utiliza un manguito de acero para unir el cable de acero y después se coloca el manguito exterior de aluminio. En líneas de media tensión son muy utilizadas los alambres preformados cuyas aplicaciones principales son las de fijar conductores a aisladores, unir conductores con cadenas de aisladores a tracción, cabos de acero con aisladores y herrajes.
Figura 11.
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Los preformados más utilizados son: 1. Alambre preformado de retensión o fin de línea de distribución: Para sujeción de los cables de aluminio o de cobre (desnudo o aislado) en el aislador de disco. Puede ser usado con guarda cabo de acero galvanizado. 2. Alambre preformado ojal de retensión: Utilizado para anclaje del conductor de aluminio al aislador de disco a través del ojal que posee, evitando el uso de guarda cabo.
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Las derivaciones en los cables de aluminio acero y aluminio con aleación (almelec) se realizan mediante conector a presión o mediante grapa que une por compresión mecánica por medio de tornillos (fig.12).
Figura 12.