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Yacyreta’s hydroelectric power plant generates an approximate storage level of 78.50 masl. The elevation of the final storage level to 83 masl will produce a substantial improvement on the power generated by the turbines that must be evacuated to the consumption centers through the interconnected system in 500 kV.  

One of the transmission lines collaborating with this matter is The Extra High Voltage Line 500 kV – Rincon de Santa Maria – Mercedes – Colonia Elia. This one begins near the hydroelectric power plant and goes from north to south of Corrientes and Entre Rios provinces until it reaches Colonia Elia. The Line covers 281 km in the North Stretch and 386 km. in the South Stretch covering a total of 667 km.

The power is transmitted through three phases R, S, and T. Each of them has a bundle of 4 cables. Cables are protected against lightings through two steel ground wires.

The wires are protected against lightings through steel wires, called “ground wires”, set over the three phases.

One of the wires contains a fiber optic in order to transmit data between the main transformer stations.

Taking into account a certain conductor length, when the transmission voltage is low the energy losses increase substantially in such a way that according to the power to be transmitted and the longitude, in our case it was necessary to employ a voltage of 500 kV to make the project feasible.

Each one of the 4 conductors of each bundle is a modified Peace River wire consisting of an internal plait of 7 steel threads (total 31.92 mm2) that provides resistance to the whole and a plait along the perimeter of 48 aluminum threads (364,63 mm2 total) that confer electric conduction capacity.

The conductor’s insulation is done through the surrounding air. For this reason, different structures were set throughout the route. These structures support the wire to certain distances so as to impede discharges and at the same time they make everything stable in normal conditions and with an adequate safety level in view of destructive effects.

The line layout is a succession of stretches forming a polygonal which was designed bearing in mind, not only the different hills and valleys, constructions or plantations in the way, but also the geotechnical and hydrological conditions found in the area.

The conductor bundles are linked to the towers through chains of retention and suspension insulators respectively which were tested in laboratories to check their mechanic aptitude and electric insulation.

Each stretch of the polygonal is supported by lattice steel suspension towers, that is to say they load predominantly in transverse way. And at the end of each section, lattice steel angular retention towers were placed. These ones support the loads of wires coming from adjacent sections, plus the climate conditions in any possible way.

The suspension towers designed are the ones with the most modern and economical design, i.e. Cross Rope Towers.

This type of suspension structure is formed by two lattice steel masts.

Each mast has a couple of guys that hold it through the sides towards the front and the back, and are linked through a Cross Rope wire. This wire is a transversal catenary to the direction of the line that holds three polymer insulators that sustain the wires.

The retention towers are similar to the suspension self-supported towers but sturdier.

All the towers were designed and their prototypes tested in the Test Station that the manufacturer had in Belo Horizonte, Brazil.

The foundations employed for the structures varied greatly according to different factors such as the characteristics of soils, the presence of water and the accessibility of the construction equipment into the area.

The foundations of the masts of Cross Rope towers were done with pre-molded direct foundations when their transportation was possible, direct foundations concreted in situ, large diameter piles from 0,60 to 1,20 m.

Guys’ foundations were resolved by AIA injected anchors ISCHEBECK type. They consisted in a pre perforation with a steel hollow bar of high resistance. The length varied with the characteristic of soils. After that, grout rich in cement was injected at high pressure to form a traction pile in order to guarantee the guy’s working load plus a safety rate.

After being injected, all the anchors were tested for rupture load.

The foundations of the self-supported towers were done directly in situ when the soil allowed it.

In some cases, depending on the type of soil, such towers were founded through concreted piles in situ or traditional pre moldered piles.

In other cases where the water level was high it was necessary to work with elevated porches, as in the case of Rio Miriñay Crossing, where the towers are lifted between 7,00 and 8,00 m above natural land level.

COINTEC from The Argentinean Chamber of Engineering Consulting (Cámara Argentina de Consultores de Ingeniería) was in charge of the executive design of this Extra High Voltage Transmission Line.

 

DESCRIPTION OF STAGES IN TRANSMISSION LINES DESIGN

 

After knowing the power to be transmitted and the distance to which it must be transported, an electric study of the line is carried out. From this one the transmission voltage, conductors disposition and conductor section are selected in a way that different electrical considerations are taking into account, such as minimizing losts. This calculation corresponds to Electric Engineering.

Like I’ve said, in the case of the line described above, the voltage is of 500.000 V, i.e. 500 kV which in electric jargon is called “extra high voltage”.

From voltage, conductors section and their spatial disposition definition, the civil-mechanical design of the line starts.

I will try to sum up and simplify the different stages of design in order to make my writing more comprehensible to those who are not familiarized with this kind of design. Even though lines’ design has many more steps in between, their absence will not change this writing’s conclusion.

We can summarize the steps as following: 

  • Definition of Climate Conditions

Projects climate conditions can be defined by previous studies, regulations or weather analysis.

In terms of climatology we have no CIRSOC since in our case what we analyze is the possibility that wind speed may be stronger in some parts of the line. For this reason, probabilities, different from those of the regulation already mentioned, are analyzed.

By means of a probabilistic analysis of severe storms registered in relation with the physical damage they cause in a determined amount of time along the area where the line is going to take place, different wind speeds and load conditions are defined. This data is the starting point for the designer.

  • Conductor mechanical calculations, structure load hypothesis and failure sequence.

Once defined the conductor section by electric design, the mechanical calculation corresponds to the definition of the conductors’ electric wiring voltages associated with every one of the climatic conditions. The calculation is done through the application of the equation of the catenary with special compatibility considerations between aluminum and steel, and special creep considerations due to the slow flow over time. These designs are similar in nature to those employed in bridges shrouds.

From the voltage verified in the conductors and the guard wires for each climatic state, diagrams of the loads that the wires transmit to the structures are obtained.

The loads go from the wires to the structures and the foundations with different failure sequence rates. For this reason, the most suitable failure mode to the design has to be selected before hand.

  • Structures Design

The towers’ geometric design is done followed by the mechanical-civil design.

For this kind of lines, the structures are made of steel lattices of galvanized steel angles with special quality bolts.

All the safety and protection distances used in the tower’s geometrical design depend on each country’s own regulations. Moreover, in some cases international regulations are taken into account such as IEC (International Electrotechnical Commission) or CICGRE (Great Electric Networks Committee).

Naturally, wire goes with the whole line. Appropriate and economic designs as well as a disposition of structures and foundations are what optimize the line’s costs.

Structure’s design evolved along the time in such a way that lighter and more economical structures are being made.

Self-supported towers designs evolved into guyed V structures and more recently into Cross Rope designs in order to minimize production and assembling costs.

The design and sizing is done taking into account second order theory and nonlinear behavior of the guys.

  • Structure prototypes tests

Designs are verified in real size prototypes that are tested in test stations until they collapse. The optimized design is verified when the failure of any element of the tower is produced before load steps going slightly beyond 100 % of the theoretical load of the design.

This process requires the structural designer’s fine expertise.

  • Topographic surveys

These plano-altimetric field surveys are the ones that describe the contour map in which the line is going to be placed.

These surveys are not so different from the ones done for roads.

  • Structures optimized distribution

Even though it’s difficult to explain it in such a few words, we could say that in order to accomplish an optimized distribution of structures, the towers have to be distributed along the area at minimum cost and with such a disposition so as not to exceed the loads admitted by its elements – conductors, insulator chains, towers, guys, anchor bars, foundations – and, at the same time, minimal distances between conductors and ground have to be verified whatever the conditions of wind and temperature are.

These structural and geometrical calculations are carried out by means of specific software. The most popular version is the PLS CADD of Power Line Systems of USA.

  • Soil Studies

Wherever a tower of 480. m and 550 m. is going to be placed; soil, water and electric resistivity studies are performed.

The characteristics of these studies are similar to those for other type of designs.

  • Foundations Design

These designs employ traditional methodology with some technological components of their own and with some operative constrains of this particular type of work, but they are framed in the traditional design of foundations.

  • Complementary Designs

There are other less complex parts of design that are not mention here in order so as not to fill this article with descriptions that doesn’t contribute to the conclusion of it.

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La Central Hidráulica de Yacyretá se encuentra generando a una cota aproximada de 78,50 msnm. La elevación a la cota definitiva de 83 msnm, producirá una sustancial mejora de la potencia generada por las turbinas que debe ser evacuada para los centros de consumos a través del sistema interconectado en 500 kV.

Una de las líneas de transmisión que colaboran en esta tarea es la Línea de Extra Alta Tensión 500 kV – Rincón de Santa María – Mercedes – Colonia Elia que partiendo de las cercanías de la Central, atraviesa de norte a sur las provincias de Corrientes y Entre Ríos hasta llegar a Colonia Elia conformando un recorrido de 281km. el Tramo Norte y 386 km. en Tramo Sur, siendo el total de 667 km.

La potencia generada se transmite por una terna de haces de 4 cables correspondientes a las fases R, S y T de generación y los cuales son protegidos contra descargas atmosféricas por un par de cables de acero, llamados cables de guardia, que se disponen por sobre las 3 fases.

Uno de los cables contiene una fibra óptica que tiene como función transmitir datos entre las estaciones transformadoras de cabecera.

Considerando una determinada longitud de conductor, a menor tensión eléctrica de transmisión se incrementan sustancialmente las pérdidas de carga de tal manera que, de acuerdo a la potencia a transmitir y a la longitud, en nuestro caso se hizo necesario el empleo de una tensión de 500kV para hacer viable el proyecto.

Cada uno de los 4 conductores de cada haz es un cable Peace River Modificado formado por una trenza interna de 7 hilos de acero (total 31,93 mm2) que otorga resistencia al conjunto y una trenza perimetral de 48 hilos de aluminio (364, 63 mm2 total) que confieren capacidad de conducción eléctrica.

La aislación de los conductores se produce a través del aire circundante por lo cual se dispusieron distintas estructuras a lo largo del recorrido, que soportan el cable a ciertas distancias tales que impidan la producción de descargas al entorno y al mismo tiempo que el conjunto resulte estable en condiciones normales y con una seguridad adecuada ante efectos destructivos.

El trazado de la línea es una sucesión de tramos conformando una poligonal que se diseñó teniendo en cuenta los accidentes topográficos, las construcciones o plantaciones que debieron atravesarse, así como las condiciones geotécnicas e hidrológicas que se encontraron.

La vinculación del haz de conductores a las torres son cadenas de aisladores de retención y suspensión respectivamente que se ensayaron en laboratorio para verificar su aptitud mecánica y de aislación eléctrica.

Cada tramo de la poligonal está sostenido por torres metálicas reticuladas de suspensión, es decir que toman cargas solamente en el sentido predominantemente transversales y en los extremos de cada tramo de la poligonal se dispusieron torres metálicas reticuladas de retención angular que soportan las resultantes de las cargas de tendido del cable provenientes de los tramos adyacentes, más las acciones climáticas en cualquiera de las direcciones posibles.

Las torres de suspensión diseñadas son las de más moderno y económico diseño, es decir torres tipo Cross Rope.

Este tipo de estructura de suspensión, está formada por dos mástiles metálicos reticulados.

Cada mástil dispone de un par de riendas que los sostienen lateralmente hacia adelante y hacia atrás y se vinculan entre sí por un cable Cross Rope. Este cable es una catenaria transversal a la dirección de la línea que sostiene tres aisladores poliméricos que soportan los cables.

Las torres de retención son de características similares a las autosoportadas de suspensión pero más robustas.

Todas las torres fueron diseñadas y sus prototipos fueron ensayados a rotura en la Estación de Ensayos que el fabricante disponía en Belo Horizonte Brasil.

Las fundaciones que se emplearon para las estructuras tuvieron una gran variación de acuerdo a varios factores entre los cuales podemos mencionar las características de los suelos atravesados, la presencia de agua y la accesibilidad del equipo de construcción a la traza.

Las fundaciones de mástiles de torres Cross Rope fueron resueltas en este trazado con fundaciones directas premoldeadas cuando fue posible transportarlas, fundaciones directas hormigonadas in situ, pilotes de gran diámetro, de 0,60 a 1,20 m.

Las fundaciones de riendas fueron solucionadas por anclajes inyectados AIA tipo ISCHEBECK que consistió en una pre perforación con una barra hueca de acero de alta resistencia hasta una longitud que varía con las características de los suelos, para posteriormente inyectar lechada rica en cemento a alta presión hasta formar un pilote de tracción que interese un cono de arrancamiento tal que asegure la carga de servicio de la rienda más un coeficiente de seguridad.

Todos los anclajes, luego de inyectados se ensayaron a carga de rotura.

Las fundaciones de torres autosoportadas fueron realizadas en forma directa in situ cuando los suelos lo permitieron.

En los casos en que los suelos así lo exigieron, dichas torres fueron fundadas mediante pilotes hormigonados in situ o premoldeados tradicionales.

En algunos otros casos en que el nivel de inundación así lo exigía fue necesario trabajar con pórticos espaciales elevados, como en el caso del Cruce del Río Miriñay, donde las torres se encuentran elevadas entre 7,00 y 8,00 m sobre el nivel del terreno natural.

COINTEC de la Cámara Argentina de Consultores de Ingeniería tuvo a cargo el diseño ejecutivo de esta línea de transmisión en extra alta tensión.

 

DESCRIPCIÓN DE LAS ETAPAS DEL DISEÑO DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

 

Conociendo la potencia a transmitir y la distancia a la cual debe ser transportada, se realiza el estudio eléctrico de la línea mediante el cual se selecciona la tensión de transmisión, la disposición de los conductores y la sección del conductor de tal manera de tener en cuenta distintas consideraciones eléctricas entre las cuales se encuentra la minimización de pérdidas. Este es un cálculo propio de la ingeniería eléctrica.

Como dije, en el caso de la línea que describí en la primera parte del artículo, esta tensión es de 500.000V, es decir 500 kV lo cual es denominado en la jerga eléctrica “extra alta tensión”.

A partir de la definición de la tensión, sección de los conductores y disposición espacial de los mismos, comienza el diseño mecánico-civil de la línea.

Voy a tratar de resumir y simplificar las distintas etapas del diseño a los efectos de hacer comprensible la exposición a quien no está familiarizado con este tipo de diseños, dejando aclarado que el diseño de líneas tiene muchos otros pasos intermedios más, aún cuando su ausencia no va a modificar las conclusiones de este escrito.

 

Podemos resumir estas etapas o pasos en los siguientes:

•          Definición de las condiciones climáticas

Las condiciones climáticas pueden estar definidas por estudios anteriores al proyecto que se está desarrollando, disposiciones reglamentarias o bien podría requerirse un análisis meteorológico.

En la climatología de líneas nos quedamos sin CIRSOC, ya que en nuestro caso lo que se analiza es la probabilidad de ocurrencia de que una velocidad de viento dada se supere en algún frente definido de una línea que tiene la longitud de nuestro trazado y por tanto se analizan probabilidades bien diferentes a las del reglamento mencionado.

Para ello, a través de un análisis probabilístico de tormentas severas registradas por la traza de daños físicos en un determinado tiempo, se definen distintas velocidades de viento y condiciones de carga que son un dato de partida para el diseñador.

•          Cálculos mecánicos de conductores, hipótesis de cargas de las estructuras y secuencia de falla.

Ya definida la sección del conductor por diseño eléctrico, el cálculo mecánico corresponde a la definición de las tensiones de tendido de los conductores asociadas a cada una de las condiciones climáticas. El cálculo se desarrolla por aplicación de la ecuación de la catenaria, con consideraciones particulares de compatibilidad entre el aluminio y el acero y de creep debido a la fluencia lenta a lo largo del tiempo. Estos diseños son de naturaleza similar a los empleados en los diseños de los obenques de un puente.

A partir de las tensiones que se verifican en los conductores y en los cables de guardia para cada estado climático se obtienen los diagramas de cargas que los cables les transmiten a las estructuras.

Las cargas van derivando de los cables a las estructuras y a las fundaciones con distintos coeficientes de secuencia de falla de tal manera de seleccionar de ante mano el modo de falla más conveniente al diseño.

•          Diseño de estructuras

Se realiza el diseño geométrico y posteriormente mecánico-civil de la torres.

Para este tipo de líneas las estructuras son metálicos reticuladas de perfiles angulares galvanizados con bulones de calidad especial.

Todas las distancias de seguridad y de protección para realizar el diseño geométrico de la torre son distancias y disposiciones reglamentarias que dependen de cada país y en ciertos casos se adoptan normas o recomendaciones de validez internacional correspondientes a organismos tales como CICGRE – Comité de Grandes Redes Eléctricas o IEC – International Electrotechnical Commission.

Naturalmente el cable acompaña todo el tendido. Lo que optimiza el costo de una línea es un adecuado y económico diseño y disposición de estructuras y fundaciones.

El diseño de las estructuras fue evolucionando a lo largo del tiempo de tal manera de lograr estructuras más livianas y económicas.

Los diseños evolucionaron de las torres autosoportadas, a las estructuras en V arriendadas y más recientemente hasta los diseños cross rope de tal forma de minimizar el costo de producción y montaje.

El diseño y dimensionamiento se realiza considerando teoría de segundo orden y comportamiento no lineal de las riendas.

•          Ensayos de prototipos de estructuras

Los diseños se verifican en prototipos a escala real que se prueban hasta el colapso en estaciones de ensayo. El diseño optimizado se verifica cuando la falla de cualquier elemento de la torre se produce

ante escalones de cargas levemente superiores al 100% de la carga teórica de diseño.

Esto requiere un afinado expertisse del diseñador estructural.

•          Relevamientos topográficos

Corresponde a los relevamientos de campo que describen la planialtimetría sobre la cual se distribuirá la línea.

Estos relevamientos no difieren sustancialmente de los que se realizan para un camino.

•          Distribución optimizada de estructuras

Si bien resulta complicado de explicar en pocas palabras, podríamos decir que la distribución optimizada de estructuras es lograr una repartición de torres a lo largo de la traza de mínimo costo y con una disposición tal que no se superen las cargas admitidas para cualquiera de sus elementos – conductores, cadenas de aisladores, torres, riendas, barras de anclaje, fundaciones – y que se verifiquen a su vez las distancias mínimas entre los conductores y el suelo, en cualquiera de las condiciones de viento y temperatura.

Estos cálculos estructurales y geométricos se realizan a través de la aplicación de un software específico de los cuales la versión más difundida es el PLS CADD de Power Line Systems de USA.

•          Estudios de Suelos

En cada ubicación de torre – que habitualmente se encuentran para líneas de estas características entre 480 m y 550 m-, se realiza un estudio de suelos, aguas y medición de resistividad eléctrica.

Las características de estos estudios son similares a los que se realiza para otros tipos de diseños.

•          Diseño de fundaciones

Estos diseños emplean metodologías tradicionales con algunos componentes tecnológicos propios y algunos condicionamientos operativos particulares de este tipo de obras, pero que se encuentra enmarcado en el diseño tradicional de fundaciones.

•          Diseños complementarios

Existen otras partes del diseño de baja complejidad que no mencionamos para no abundar en descripciones que no aportan a la conclusión del escrito.