Los soportes compuestos de líneas eléctricas aéreas son estructuras de construcción hechas de materiales compuestos de polímeros reforzados diseñados para sostener cables y cables de protección contra rayos a una distancia determinada del suelo y entre sí. Un tipo relativamente nuevo de estructuras de construcción que comenzó a generalizarse durante la construcción de líneas eléctricas en los Estados Unidos y Canadá en las décadas de 2000 y 2010. En Rusia en operación de prueba desde 2009.
Con el desarrollo de los materiales compuestos poliméricos se inició su uso en la construcción y en la industria de la energía eléctrica. En particular , la fibra de vidrio ha demostrado ser un material dieléctrico muy exitoso . Poseedor de una alta resistividad eléctrica (cercana a la del vidrio), una tangente de baja pérdida dieléctrica y, al mismo tiempo, una alta resistencia mecánica (al nivel de los metales), es ampliamente utilizado en elementos aislantes de carga, incluidos los aisladores de soporte. , carcasas de interruptores de alta tensión y otros accesorios eléctricos. Una característica importante de la fibra de vidrio, en comparación con el vidrio monolítico y los materiales aislantes cerámicos, es su elasticidad y baja fragilidad. Debido a esto, los aisladores de polímero con un marco de soporte de fibra de vidrio resultaron ser capaces de soportar cargas mecánicas de choque (incluidas) de emergencia, bajo las cuales se destruyen los aisladores de porcelana y vidrio. Los aisladores compuestos en este caso solo se deforman, pero conservan su integridad y rendimiento [1] .
Teniendo en cuenta la experiencia adquirida en la operación de aisladores de polímero y estructuras de soporte de fibra de vidrio en la construcción, se iniciaron experimentos en diferentes países del mundo para crear soportes compuestos, principalmente de fibra de vidrio. Los pioneros de la aplicación práctica de dichos soportes fueron las redes eléctricas de Estados Unidos y Canadá. Esto se debe a las difíciles condiciones climáticas de estos países: frecuentes vientos huracanados, hielo pesado. En tales condiciones, la elasticidad significativamente mayor de la fibra de vidrio en comparación con el hormigón armado permite que los soportes soporten sobrecargas temporales sin daños ni deformaciones irreversibles.
En términos de propiedades físicas, mecánicas y eléctricas, los soportes compuestos difieren significativamente de los de hormigón armado y acero. Esto provoca diferencias significativas en el diseño de líneas de transmisión de energía sobre soportes compuestos. Según varios expertos, la introducción generalizada de postes compuestos conducirá a la necesidad de cambiar los requisitos para las líneas eléctricas y sus diseños típicos.
Los plásticos reforzados con vidrio (plásticos reforzados con basalto) se caracterizan por una alta relación entre la resistencia a la tracción y el módulo de elasticidad (ν=σ/E). Para carcasas de fibra de vidrio obtenidas por los métodos de bobinado en espiral cruzada, esta relación es de aproximadamente 10-12 MPa/GPa. Para aceros estructurales utilizados en la producción de soportes poliédricos, esta relación es de aproximadamente 4,5 MPa / GPa, para hormigón armado, de aproximadamente 3 MPa / GPa. Esta relación determina el valor límite de la flecha del apoyo sin destrucción o deformación permanente. Por esta razón, los apoyos hechos de materiales compuestos permiten flechas significativamente mayores bajo la influencia de cargas asimétricas que el acero y el hormigón armado. Es esta propiedad de los materiales compuestos la que los hace adecuados para la fabricación de torres de transmisión de energía que operan en condiciones climáticas difíciles.
Sin embargo, el módulo de elasticidad de la fibra de vidrio (alrededor de 30-50 GPa) es significativamente menor que el del acero (200 GPa). Por lo tanto, bajo cargas normales, los postes compuestos para líneas de transmisión de energía tienen mayores deflexiones que los postes de acero con un espesor de pared comparable. Por tanto, el diseño de líneas de transmisión de energía sobre soportes mixtos debe realizarse teniendo en cuenta su flexibilidad. Según el PUE , las dimensiones de las líneas eléctricas con soportes flexibles se calculan para el caso de soportes de máxima deflexión. Por lo tanto, para una clase de tensión dada, las dimensiones de las líneas de transmisión de energía sobre soportes compuestos son mayores que sobre las de acero (hormigón armado). También es necesario tener en cuenta la influencia de las vibraciones del cable y tomar medidas para evitar resonancias de baja frecuencia.
La densidad de la fibra de vidrio es 3,5 - 4 veces menor que la densidad del acero. En consecuencia, los soportes compuestos tienen una masa significativamente menor en comparación con sus contrapartes de acero. Esta propiedad es especialmente importante cuando se construyen líneas eléctricas en áreas de difícil acceso (terreno montañoso, pantanos, taiga). Por lo tanto, las torres intermedias de las líneas de transmisión de energía de 10/20 kV tienen una masa de aproximadamente 150-250 kg (y las isogrid, menos de 100 kg), lo que hace posible transportar e instalar dichas torres sin el uso de ningún equipo. Los soportes compuestos para las clases de tensión más altas suelen fabricarse en prefabricados-modulares. Al mismo tiempo, la masa de cada módulo permite que sea transportado por 3-4 personas o mediante carretillas de mano.
Los soportes de las estructuras tradicionales (excepto las de madera) son conductores. Esto determina una serie de características asociadas con la coordinación del aislamiento de la línea de transmisión de energía y la distribución de su capacitancia e inductancia. Los cables transversales y de protección contra rayos (si los hay) están sujetos a puesta a tierra obligatoria, y se imponen altos requisitos al conductor de puesta a tierra. Los soportes de fibra de vidrio, basalto u organoplásticos son dieléctricos de alta rigidez dieléctrica. Por lo tanto, el soporte mismo se convierte en un aislante en la ruta de corriente de cable a tierra. Pero, a diferencia de los soportes de madera, las propiedades dieléctricas de los compuestos no dependen de las condiciones climáticas. Esto simplifica enormemente el esquema de aislamiento de las líneas de transmisión de energía y, en el caso de las clases de baja tensión (hasta 10 kV), es posible abandonar por completo el uso de aisladores. Las líneas de transmisión de energía en postes compuestos tienen una capacitancia “cable-tierra” y “alambre-alambre” significativamente más baja que las líneas eléctricas en postes conductores. También elimina la necesidad de poner a tierra el travesaño del soporte. Dado que para las líneas de transmisión de energía sobre soportes compuestos, la aproximación de cables con un transversal y un bastidor no es peligrosa, es posible reducir las dimensiones de la línea. Esta circunstancia puede compensar totalmente el aumento de dimensiones provocado por la flexibilidad de los soportes.
Las altas propiedades dieléctricas de los soportes compuestos mejoran significativamente la resistencia a los rayos de las líneas de transmisión de energía. Esto permite simplificar los dispositivos de puesta a tierra y, en algunos casos, abandonarlos por completo y los cables de protección contra rayos. La ausencia de un conductor de puesta a tierra reduce significativamente el efecto de las corrientes parásitas en edificios, estructuras y objetos naturales. También es importante que en caso de rotura o destrucción del aislador o caída de un cable en el travesaño, no haya un cortocircuito a tierra y la línea no esté desconectada. En general, según los resultados de una serie de estudios realizados en EE. UU., Rusia y China [2] , se espera que las líneas eléctricas sobre soportes compuestos tengan un número de cortes significativamente menor que sobre las tradicionales. Además, se minimizará el impacto nocivo y peligroso de las líneas eléctricas en las instalaciones terrestres.
No obstante, la alta resistencia de los postes compuestos también provoca algunos problemas, en particular, la tendencia a acumular carga estática, así como valores elevados de sobretensiones en caso de caída directa de un rayo en las líneas eléctricas (aunque la probabilidad de tal evento se reduce significativamente). También es difícil diagnosticar remotamente el estado del aislamiento de las líneas eléctricas en términos de reactancia.
Los materiales compuestos de polímeros tienen una alta resistencia a la corrosión en medios ácidos y alcalinos y no están sujetos a electrocorrosión. Esta es su principal ventaja sobre el metal y el hormigón armado. Los materiales compuestos son menos higroscópicos que el hormigón y no se dañan por la congelación del agua en los poros. Al mismo tiempo, los materiales compuestos de polímeros envejecen rápidamente bajo la influencia de la radiación solar. Una de las tareas más importantes asociadas a la introducción masiva de soportes compuestos es resolver el problema de la estabilización del aglomerante polimérico frente a la acción de la radiación solar.
A partir de 2015, la I+D se lleva a cabo activamente en Rusia en postes compuestos para líneas de transmisión de energía y postes de iluminación. Este tema es tratado tanto por instituciones estatales, en particular , la Universidad Técnica Estatal Bauman de Moscú [3] y la Universidad Politécnica Estatal de San Petersburgo , como por organizaciones comerciales, en particular, el Centro de Compuestos de Nanotecnología (NTsK LLC), Phoenix-88, NPP Altik. Se están abordando los problemas de la adaptación de los postes compuestos de RStandart (Canadá) para su uso como parte de los pilones en las líneas de transmisión de energía rusas. JSC "Federal Grid Company" actuó como cliente de los trabajos en los soportes de las líneas aéreas de 220 kV; para soportes de líneas aéreas de 110 kV - Tyumenenergo OJSC (con operación piloto hasta 2015) - https://web.archive.org/web/20160828004529/http://www.xn-----glcfccctdci4bhow0as6psb.xn--p1ai/ artículos/vysokovoltnye-linii-elektroperedachi/opyt-razrabotki-izgotovleniya-i-ispytaniy-promezhutochnykh-opor-iz-kompozitsionnykh-materialov-dlya-.%7B%7B%D0%9D%D0%B5%D1 %82 AI|22 |12|2013}} En 2014 se inició el desarrollo de postes para líneas aéreas de 10-35 kV para el complejo de redes de distribución.
Para estudiar el funcionamiento de los postes compuestos como parte de las líneas de transmisión operativas, las características de su instalación y operación en varias zonas climáticas de Rusia, se montaron secciones experimentales de líneas en postes compuestos, en particular en Yakutia [4] , región de Tyumen. [5] , región de Krasnodar [6] , región de Arkhangelsk, territorio de Primorsky. , Tartaristán, región de Irkutsk [7]
NCC LLC, junto con Amur Electric Networks, una sucursal de JSC DRSK (parte de PJSC RAO ES of the East), implementó un proyecto piloto para la instalación de soportes de líneas aéreas de transmisión de energía hechos de materiales compuestos. En julio de 2016, en el pueblo de Volkovo, distrito de Blagoveshchensky, región de Amur, se instalaron veinte postes compuestos, desarrollados por NCC LLC, para clases de tensión de 0,4 kV y 6-10 kV. [8] [9] En agosto de 2017, se utilizaron postes compuestos fabricados por NCC LLC en la reconstrucción de VL-6kV 3l-Yus-6, Yuzhno-Sakhalinsk para reemplazar los postes de madera. [diez]
Se instalan soportes compuestos en lugar de desgastados y obsoletos de madera.
Soportes compuestos
Postes compuestos en forma empaquetada
Instalación de un soporte compuesto.
En Rusia, la construcción de líneas eléctricas se lleva a cabo de acuerdo con las Reglas para la instalación de instalaciones eléctricas. Estas reglas se desarrollaron hace mucho tiempo, por lo que en realidad tienen en cuenta la práctica establecida de utilizar soportes hechos de materiales tradicionales (hormigón armado, metal), es decir, rígidos y conductores. En consecuencia, todos los requisitos para el PUE se aplican específicamente a este tipo de apoyo. Aunque el PUE no prohíbe el uso de soportes compuestos dieléctricos flexibles, no existen instrucciones y recomendaciones especiales para su uso. En particular, no hay instrucciones sobre las características de aislamiento y puesta a tierra de las líneas de transmisión de energía sobre soportes compuestos. Esta incertidumbre en la etapa actual conduce a la necesidad de construir líneas eléctricas en postes compuestos de acuerdo con los estándares para líneas eléctricas en postes de hormigón armado y acero, lo que no permite aprovechar completamente el potencial de los postes compuestos.