Com dissenyar torres que combinin amb línies de transmissió d'alta tensió?

Restriccions de disseny guiades per la tensió per a torres de transmissió

Càrregues de vent, gel i electromagnètiques a 230 kV i superiors

Quan es treballa amb tensions de 230 kV o superiors, les torres de transmissió enfronten esforços ambientals complexos que no augmenten simplement de manera proporcional amb els nivells de tensió. Durant fenòmens meteorològics adversos, la pressió del vent pot arribar a superar les 50 lliures per peu quadrat, fet que exigeix un reforçament seriós dels suports laterals. Això és especialment cert en les torres d'estil trama, on l'esforç màxim s'acumula en els punts on es connecten les potes i on s'uneixen els conductors. L'acumulació de gel representa un altre repte important. Quan el gel s'acumula fins a una gruix d'uns dos polzades sobre els conductors, triplica el seu pes, creant una tensió desigual al llarg del sistema i provocant forces de torsió que els enginyers prefereixen evitar. Al mateix temps, quan els corrents de defecte circulen pels cables a taxes superiors a 40 kA, generen forces electromagnètiques intenses que fan oscil·lar violentament els conductors, arribant a provocar ressonàncies perilloses a la torre mateixa. Com que aquests diferents factors d'esforç es solapen tant completament, els enginyers depenen fortament de l'anàlisi per elements finits per comprendre com tot funciona conjuntament. Per exemple, en sistemes de 400 kV, les torres trama generalment necessiten un refortiment entre un 20 i un 30 per cent més resistent comparat amb dissenys de monopols sotmesos a condicions similars.

Compliment de les distàncies de buit i de pujada (IEC 61936 / IEEE 1243)

La necessitat d'aïllament elèctric esdevé molt més exigent a mesura que augmenten les tensions. Segons normes com la IEC 61936 i la IEEE 1243, també augmenta significativament la separació mínima requerida entre fases i terra. En sistemes de 230 kV es necessiten almenys 2,3 metres d'espai, però aquest valor puja fins a 3,6 metres quan s'opera a nivells de 345 kV. Aquestes xifres afecten directament l'alçada a què s'han de construir les torres de transmissió i la distància entre els seus braços transversals. Les cadenes d'aïlladors representen un altre repte, ja que les seves distàncies de cremallera també han d'augmentar. Especialment en aïlladors polimèrics, es compten aproximadament 25 mm per quilovolt en zones amb problemes de contaminació per evitar aquests molestos fenòmens de conducció superficial. Quan l'espai és limitat, els enginyers sovint recorren a configuracions de cadena en V per als aïlladors. Però hi ha un altre problema persistent que torna contínuament: la contaminació. La boira salina o l'acumulació de residus industrials pot reduir la tensió de lluentor gairebé a la meitat en alguns casos. Per això, en regions on aquests contaminants tendeixen a acumular-se amb el temps, els plans regulars de neteja esdevenen absolutament necessaris.

Selecció del tipus de torre: adaptació de la forma estructural a la funció i l'entorn

Funcions operatives: torres de suspensió, de tensió, de transposició i de creuament

La manera com funcionen les torres de transmissió d'energia determina la seva forma física i construcció. Les torres de suspensió aguanten els cables elèctrics en línia recta mitjançant aquelles llargues cadenes d'aïllants que sovint veiem penjades d’elles, fet que les converteix en elements habituals al llarg de trams rectes de les línies elèctriques. Quan el trajecte ha de canviar de direcció o travessar rius, entren en joc les torres de tensió. Aquestes estan dissenyades específicament per suportar les forces massives quan un costat de la línia exerceix més tracció que l’altre. També hi ha torres de transposició, que giren la posició de les tres fases de la línia per tal que tot romangui equilibrat al llarg de centenars de quilòmetres. I després hi ha les torres de creuament, que simplement aixequen prou els cables perquè superin carreteres, vies de ferrocarril o muntanyes. Posar un tipus incorrecte de torre en un lloc inadequat pot ser molt perillós. Imagineu-vos col·locar una torre de suspensió normal en una corba pronunciada on hauria d’haver-hi una torre de tensió. Durant tempestes o vents forts, aquest error podria provocar fallades que es propaguessin ràpidament a tot el sistema de xarxa.

Compromisos entre material i forma: trama reticulada vs. tubular vs. monopè cim per a línies de 400 kV+

La selecció equilibra el rendiment, la logística i l'entorn:

• Torres reticulades , construïdes amb perfils d'acer galvanitzat, ofereixen relacions de resistència-pes molt superiors i escalabilitat modular, fet que les converteix en l'opció predeterminada per a projectes de 400 kV+ que requereixen màxima capacitat de càrrega i resiliència sísmica. La seva geometria triangulada dissipa eficàcement l'energia dinàmica, especialment en zones propenses a terratrèmols.
• Pols tubulars d'acer ofereixen un impacte visual reduït i empremtes més petites, amb seccions tancades que limiten l'exposició a la corrosió. Tanmateix, les limitacions de transport restringeixen alçàries pràctiques en aplicacions d'alta tensió extrema.
• Monopols , encara que s'instal·lin més ràpidament i necessitin menys superfície, comporten un fort increment del cost del material per sobre dels 230 kV. La seva construcció de paret massissa proporciona una excel·lent resistència a la càrrega asimètrica de gel, especialment avantatjosa en terrenys alpins.

Components estructurals principals i integritat del camí de càrrega en torres de transmissió

Des del braç transversal a la fonamentació: assegurar una transferència de força contínua en condicions de fallada

La resistència estructural d'aquests sistemes depèn de la transferència contínua de càrregues que comença als punts d'unió dels conductors, passa pels braços transversals, continua al llarg del cos de la torre i finalment arriba a la fonamentació. Aquests braços transversals suporten diverses forces com la pressió del vent, l'acumulació de gel i els efectes electromagnètics abans de transmetre-les al marc estructural principal. En el cas concret de les torres d'armadura, el recorregut de la càrrega es produeix mitjançant unions amb prus o soldades que necessiten redundància integrada per evitar problemes d'inestabilitat. Els dissenys tubulars i monopolars funcionen de manera diferent, basant-se en connexions robustes mitjançant brides entre les peces i reforsos interns per a suportar les càrregues. Pel que fa a les fonamentacions, tant si estan enterrades directament al terreny com si es construeixen amb sistemes de grillatge, han de ser capaces de suportar increments sobtats de càrrega d'aproximadament 2,5 vegades els nivells normals durant incidents com la ruptura inesperada dels conductors, segons les normes sectorials establertes per la IEC 61936:2020. L'anàlisi per elements finits ajuda els enginyers a visualitzar com es distribueix l'esforç a tots els components, amb l'objectiu d'eliminar qualsevol possibilitat de fallada en un únic punt del sistema. Els factors importants a verificar durant els processos d'avaluació solen incloure...

L'acer d'alta ductilitat (per exemple, S460ML+) assegura una deformació plàstica en lloc d'una fractura fràgil sota sobrecàrrega. Els recobriments resistents a la corrosió en els punts de connexió —validats per a ubicacions costaneres o químicament agressives— es mantenen durant tota la vida útil per preservar la continuïtat del camí de transmissió de càrregues.

Verificació de Resistència Mecànica i Conformitat per a Sistemes d'Aturons d'Alta Tensió

Pel que fa a la validació estructural, els enginyers segueixen normes internacionals ben establertes com ara la IEC 60652 per a les proves mecàniques dels components de línies elèctriques aèries i l'ASCE 10-15, que tracta específicament del disseny d'estructures metàl·liques per a la transmissió d'electricitat. Durant les proves a escala real, els prototips es posen a prova amb condicions simulades, incloent velocitats de vent que arriben als 150 quilòmetres per hora, diverses càrregues verticals tant de pes mort com de càrregues actives, a més d'escenaris en què els cables es trenquen inesperadament. Aquestes proves reprodueixen les tensions mecàniques més extremes que podrien donar-se en situacions reals. Per verificar com es distribueixen les forces a través de l'estructura, cel·les de càrrega calibrades mesuren els punts de pressió mentre que teodolits controlen qualsevol moviment o desplaçament des dels braços transversals fins als ancoratges de la fonamentació. El que es descobreix després de la certificació no és només una prova que tot compleix amb la normativa, sinó que mostra marge de seguretat que supera entre un 25% i un 40% el requerit operativament. Aquest tipus de rigor és realment important perquè, quan alguna cosa falla en xarxes d'altes tensions superiors a 400 quilovolts, un únic defecte en un punt crític pot provocar problemes que s'estenen a diverses regions i jurisdiccions.

PREGUNTES FREQUENTS

Per què és important l'anàlisi per elements finits en les torres d'alta tensió?

L'anàlisi per elements finits és crucial perquè ajuda els enginyers a comprendre com interactuen diferents factors de tensió, com el vent, la gelada i les forces electromagnètiques, permetent un disseny i reforç òptims de la torre.

Quines són les principals diferències entre les torres d'armadura i els dissenys de monopols?

Les torres d'armadura ofereixen una relació resistència-pes superior, ideal per a projectes d'alta capacitat, mentre que els monopols, més fàcils d'instal·lar i que requereixen menys terreny, tenen costos més elevats per sobre dels 230 kV, oferint una bona resistència a la càrrega de gel.

Com afecten les normes de compliment al disseny de les torres de transmissió?

Les normes de compliment dictaminen les distàncies mínimes de separació, distàncies de cremallera i capacitats de càrrega necessàries per a un funcionament segur, afectant la selecció de materials, les dimensions de la torre i el disseny general per fer front a esforços ambientals i operatius.