1. Tensiones mecnicas y efectos ambientales

El correcto funcionamiento de un interruptor de circuito es dependiente de sus propiedades mecnicas.

Por propiedades mecnicas, nos referimos a la capacidad del disyuntor de circuito para soportar cargas

mecnicas externas e internas. El disyuntor de circuito tambin tiene que funcionar correctamente bajo

una variedad de condiciones ambientales. Otro importante problema mecnico es las fuerzas

operacionales del interruptor de circuito que actan sobre el fundamento durante el funcionamiento.

1.1. Las cargas mecnicas

Un nmero de cargas mecnicas actan sobre el interruptor automtico: cargas estticas (peso muerto,

del terminal, hielo), las fuerzas causadas por la operacin, de conmutacin de corriente y las fuerzas de

las duras condiciones ambientales como el viento y los terremotos. Algunas de estas cargas actan

juntos (por ejemplo, del terminal y peso muerto), mientras que otras cargas son ms raros en su

presencia (por ejemplo, cargas ssmicas).

1.1.1. Las cargas estticas

1.1.1.1. Peso propio

El peso muerto del interruptor de circuito y de su estructura acta como una carga en la base.

Estos factores deben tenerse siempre en cuenta durante la preparacin del sitio de instalacin y la hora

de dimensionar los cimientos.

1.1.1.2. Carga del terminal esttico

Cargas estticas en los terminales son las tensiones de las capas de hielo, el viento y los conductores

conectados.

Estas cargas producen un momento de flexin que hace hincapi en el apoyo disyuntor aislante, marco

y fundamento. A pesar de que el viento puede variar dinmicamente, IEC especifica que se tomar en

cuenta como una carga esttica.

Algunos ejemplos de fuerzas debido a conductores flexibles y tubulares (no incluyendo viento, cargas

de hielo o las cargas dinmicas sobre el interruptor automtico) se dan como una gua en

IEC 62271-100, 6.101.6, vase la Tabla 1.1.

Para las direcciones de FthA, B y Ftv ver Figura 1.1

Tabla 1.1 Fuerzas debidas a conductores flexibles y tubulares

Rango de Tensin

Nominal

Rango de Corriente

NominalFuerza Estatica Vertical

Ur

Kv

Ir

A

Longitudinal

FthA

N

Transversal

FthB

N

(Eje vertical hacia arriba

y hacia abajo)

Ftv

N

52 - 72.50 800 - 1250 500 400 500

52 - 72.50 1600 - 2500 750 500 750

100 - 170 1250 - 2000 1000 750 750

100 - 170 2500 - 4000 1250 750 1000

245 - 362 1600 - 4000 1250 1000 1250

420 - 800 2000 - 4000 1750 1250 1500

Fuerza Estatica

Horizontal Fth

FthA fuerza horizontal a la traccin debido a conductores conectados, direccin A

FthB traccin fuerza horizontal debido a conductores conectados, direccin B

Ftv traccin fuerza vertical debido a conductores conectados

Fuerza horizontal FWH el interruptor automtico debido a la presin del viento en el interruptor de hielo recubierto

FshA, Fshb, Fsv Calificacin del terminal esttico (fuerzas resultantes)

Figura 1.1 cargas de terminales de acuerdo a IEC

* La fuerza horizontal en el interruptor de circuito, debido al viento, se puede mover desde el centro de

la presin a la terminal y reduce en magnitud en proporcin al brazo de palanca ms largo. (El momento

de flexin en la parte ms baja del disyuntor de circuito debe ser la misma.)

Tabla 1.2 cargas estticas en los terminales

1.1.1.3. Carga de Hielo

Cuando el aparato de alto voltaje est sometidos a los climas fros, el hielo a veces acumularse en capas

sobre las superficies. Cuando el equipo est dimensionado, las cargas aadidas debido a que el hielo

se debe tomar en consideracin.

Horizontal Vertical Observacin

Fuerzas debidas al peso propio, el viento y el

hielo en el conductor conectadoFthA, FthB Ftv Segn cuadro 1.1

Fuerzas debidas al viento y el hielo en el

disyuntor *Fwh

Calculado por el

fabricante

Fuerza resultante FshA, FshB Fsv

Ejemplo:

Una capa de 20 mm de hielo en un interruptor de circuito de 245 kV aade aproximadamente 150 kg a

la masa de cada fase.

IEC 62271-1 especifica que capa de hielo se considerar en el rango de

1 mm y hasta, pero no superior a 20 mm; a menudo una capa de hielo de 1, 10 o 20 mm es especificado.

Cuando se expone a la carga de hielo, debe ser posible para operar el interruptor de circuito sin

perjudicar su funcin. Generalmente disyuntores tienen partes mviles protegidos de estas capas de

hielo y no tienen ningn problema de funcionamiento en estas condiciones.

Soluciones integradas modernas como disyuntores extrables o desconexin con los carros o los

interruptores de puesta a tierra, que se han expuesto los sistemas mecnicos en movimiento, debe ser

dimensionado para funcionar sin perturbaciones incluso cuando las disposiciones mecnicas tienen

revestimientos de hielo.

Figura 1.2 Tipo de prueba de un interruptor automtico extrable

1.1.1.4. Carga de viento

Interruptores de circuito al aire libre estn expuestos a cargas de viento que se traducir en un momento

de flexin en los polos del interruptor y los marcos. IEC 62271-1 especifica una velocidad mxima del

viento de 34 m / s como la condicin normal del servicio.

Ejemplo:

En un interruptor de 245 kV, la carga del viento resultante (34 m / s) har hincapi en la parte ms baja

de la estructura de soporte y la base con un momento de flexin de 9.100 Nm.

El viento tambin afectar a los conductores, lo que genera un momento de flexin adicional de

aproximadamente 650 Nm.

Donde:

Fw : Fuerza sobre una superficie debido al viento N

A : Superficie proyectada expuesta al viento m2

: Densidad del aire Kg/m3

v : Velocidad del viento m/s

cw : Coeficiente de Resistencia al viento

Valores aproximados utilizados por ABB HVP:

1.0 para superficies cilndricas

2.0 para superficies planas

Tabla 1.3 Factores para el clculo de la carga de viento

1.1.2. Cargas dinmicas

1.1.2.1. Cargas dinmicas debidas a la operacin

Cuando un interruptor est llevando a cabo operaciones de cierre y apertura, se generarn fuerzas de

reaccin. Estas fuerzas son por lo general de impacto y la naturaleza vibrativo y actuar sobre la base.

La fundacin, adems de los pernos de anclaje y la estructura del interruptor de circuito, deben estar

diseados para soportar estas cargas.

Las fuerzas varan con el tamao del disyuntor de circuito, y el tipo y la energa del mecanismo de

funcionamiento. Los valores indicados por el fabricante se utilizarn para fines de dimensionamiento. A

ttulo indicativo, los valores tpicos se dan en la Tabla 1.4.

Tabla 4.4 Los valores tpicos de las fuerzas de operacin por polo que acta sobre la fundacin

1.1.2.2. Cargas dinmicas debido a corriente

Conductores de corriente portadoras paralelas ejercern fuerzas entre s debido a la interaccin del

campo magntico (vase la Figura 1.3). Este es tambin el caso de los polos del interruptor. Las

direcciones de las fuerzas dependen de las direcciones de la corriente. La misma direccin de las

corrientes produce la atraccin de fuerzas; direcciones opuestas producirn repeler fuerzas

Tension Nominal Fuerza Horizontal Fuerza Vertical

123 - 170 1 - 15 10 -75

245 - 300 5 - 20 25 - 75

362 - 550 10 -30 50 -120

Figura 1.3 Fuerzas entre dos polos del interruptor

La fuerza mxima a una de tres fases de corto circuito acta sobre el conductor central.

No slo se debe considerar la accin entre los polos del interruptor, sino tambin las fuerzas entre las

conexiones a los terminales de alta tensin.

Esta es una situacin dinmica; el pico de la corriente de cortocircuito no actuar en el mismo tiempo, y

la magnitud de la corriente es diferente en las tres fases. Una spera estimacin de la fuerza est dada

por:

Ik3 : Corriente de cortocircuito inicial trifsica KA

K : 4.0

Li : Longitud del interruptor m

Lc : Parte de conductor conectado a los terminales principales del interruptor de circuito m

Lsc : Longitud total, interruptor y conductores conectados m

Lph : Distancia entre las fases m

Fsc : Las fuerzas electromagnticas en equipos N

Ejemplo:

Fuerzas de la corriente de cortocircuito trifsica para un interruptor de 245 kV:

Longitud del interruptor, Li 2,0 m Longitud del conductor superior, Lc1 1,5 m Longitud del conductor inferior, Lc2 1,5 m Lsc = Li + + Lc1 Lc2 = 5,0 m Distancia entre fases, Lph 3,5 m Corriente de falla trifsica inicial, Ik3 50 kA

Insertado en la ecuacin, la fuerza resultante ser Fsc = 2, 857 N.

1.1.3. Cargas ssmicas

Usuarios en regiones que experimentan con frecuencia terremotos suelen especificar que todos los

equipos instalados en la red debe ser capaz de operar bajo, y sobrevivir a los efectos de, condiciones

ssmicas.

Normalmente el fabricante utiliza los datos proporcionados por el usuario para decidir si el equipo puede

cumplir con los requisitos, o si se debe tomar alguna precaucin para aumentar la fuerza de los diseos.

Con el fin de ofrecer la versin correcta de disyuntores para instalacin en zonas de terremotos, la

siguiente informacin debe estar disponible en el cliente:

Aceleracin del suelo horizontal y vertical mxima en el lugar de instalacin, o informacin

acerca de la intensidad ssmica, de acuerdo con un determinado sismo escala, como la magnitud

de Richter.

Espectro de respuesta ssmica o las normas ssmicas.

Las condiciones del terreno.

Figura 1.4 Comparacin aproximado de diversas escalas del terremoto y la correspondiente

aceleracin del suelo horizontal

Las normas ms aplicadas-con frecuencia son IEC 61166 e IEEE 693-2005.

La norma IEC 61166 ha sido recientemente sustituida por la norma IEC 62271-300, pero todava se hace

referencia en muchas especificaciones. Para Amrica del Sur, la especificacin de ENDESA ETG1.020

tambin es importante.

Con el fin de verificar si el equipo cumple con ciertos requisitos ssmicos, los mtodos para pruebas o

anlisis de su combinacin se pueden aplicar.

Las pruebas se pueden realizar en una mesa donde la aceleracin ssmica y sacudiendo el

desplazamiento se simulan de acuerdo con el mtodo de la historia de tiempo. Antes varios otros

mtodos de prueba se han especificado, como onda sinusoidal y ritmo sinusoidal.

Pruebas de la historia del tiempo, de acuerdo con la norma IEC 60068-2-57, es el nico mtodo de

prueba mesa vibratoria relevante, ya que es la aplicacin de un acelerograma real grabada (seal de la

historia del tiempo) o un acelerograma artificial calculado que se satisfagan los espectros de respuesta

especificada. La prueba de historia de tiempo considera parmetros desconocidos como las frecuencias

naturales, amortiguacin y las no linealidades del diseo de una manera precisa.

Con el fin de realizar un clculo correcto, es necesario conocer la frecuencia natural de oscilacin del

interruptor de circuito y la amortiguacin de la oscilacin. Esta lata ser fcilmente obtenida con una

prueba de vuelta. Durante esta prueba, se aplica la carga (por ejemplo, aplicando una fuerza de traccin

en el terminal), la carga se libera de repente y el interruptor de circuito se deja oscilar libremente.

Mediante la aplicacin de los medidores de deformacin, una curva como se muestra en la Figura 4.5

se puede grabar.

Figura 1.5 Curva de respuesta de una prueba de vuelta

Los clculos pueden llevarse a cabo mediante la combinacin de los valores de masa, dimensiones,

frecuencia de resonancia y la amortiguacin del interruptor de circuito con los espectros de respuesta.

Los resultados del FEM (Mtodo de Elementos Finitos) clculos con el aporte de una snapback pruebas

han mostrado un fuerte acuerdo con los resultados de las pruebas de agitacin de la tabla, y son una

alternativa buena y rentable para dichas pruebas.

1.1.3.1. Medidas para aumentar soportar niveles ssmicos

Si los ensayos o los clculos muestran que las cargas ssmicas son demasiado altos para el interruptor

seleccionado, el diseo puede ser reforzado. Los refuerzos de la aislador de soporte y / o que la

estructura mecnica son las medidas habituales adoptadas para aumentar la fuerza y el margen contra

las cargas ssmicas.

Como una alternativa para grandes interruptores de circuito, se pueden utilizar amortiguadores ssmicos.

Los amperios se montan entre la base y el soporte de cada polo. La amortiguacin natural de un

interruptor de circuito es normalmente alrededor de 2%. Con la aplicacin de amortiguadores, una

amortiguacin de 20% se puede lograr.

Interruptores automticos de tanque Generalmente vivos pueden soportar suelo aceleraciones de hasta

0,2-0,3 g en las configuraciones estndar. Para cumplir con los requisitos de 0,3 a 0,5 g, refuerzos o

amortiguadores deben ser utilizados.

Figura 4.6 Columna de soporte del interruptor de alta tensin con las unidades de

amortiguacin de terremotos.

1.1.3.2. Combinacin de cargas

Las cargas previamente mencionadas, tales como el viento, cargas dinmicas y estticas de hielo, por

lo general actan juntos al mismo tiempo. Por supuesto, no es realista tener demandas en el equipo para

soportar altos niveles de todos los tipos de cargas al mismo tiempo. Es muy poco probable que un

interruptor de circuito estara expuesto a niveles altos de viento, cargas extremas de hielo y una carga

de corto circuito completo, y al mismo tiempo tener que soportar las tensiones de un terremoto.

Las siguientes fuentes en la Tabla 1.5 se deben utilizar para determinar las cargas descritas en la Tabla

1.6

Tabla 4.5 cargas y las normas que se especifican las cargas mecnicas.

Para interruptores con aisladores de cermica, IEC 62155 establece los factores de seguridad y le da

una recomendacin de cmo combinar estas cargas (vase el Cuadro 1.6). Para los interruptores

automticos equipados con aisladores compuestos, las cargas se derivan y combinarse de acuerdo a

las Tablas 1.5 y 1.6. IEC 61462 especfica a qu nivel se puede cargar el material compuesto.

Presion de diseo Declarada por el fabricante

Masa Declarada por el fabricante

Carga en el terminal 6.101.6.1 de IEC 62271-100

Carga de viento 6.101.6.1 de IEC 62271-100, 2.1.2 y 2.2.5 de la norma IEC 62271-1

Carga de hielo 6.101.6.1 de IEC 62271-100 y 2.1.2 de la norma IEC 62271-1

Carga de corto circuitoEn funcin de la corriente de cortocircuito, ver tambin IEC 60865-2

Carga sismica IEC 62271-300

Tabla 4.6 Combinacin de diferentes cargas

Alternativa N 1 Alternativa N 2 Alternativa N 3

Carga de corto circuito Carga de hielo Carga de sismo

Presion de diseo 100% 100% 100% 100%

Masa 100% 100% 100% 100%

Carga en el terminal 100% 50% 0% 70%

Carga de viento 30% 100% 0% 10%

Carga de hielo 0% 100% 0% 0%

Crga de corto circuito 0% 0% 100% 0%

Carga sismica 0% 0% 0% 100%

Factor de seguridad 2.1 1.2 1.2 1

Presion de carga

esperada

rutinariamente

Cargas

Presion de cargas extremas poco frecuentes