Ciencia al descubierto
Ciencia al descubierto
Los elementos angulares de
materiales compuestos reducen
el vandalismo en las torres de
transmisión
materiales compuestos reducen
el vandalismo en las torres de
transmisión
Los elementos angulares de
materiales compuestos reducen
el vandalismo en las torres de
transmisión
materiales compuestos reducen
el vandalismo en las torres de
transmisión
Introducción
Introducción
Los elementos angulares de acero han sido sustraídos de
las torres de transmisión y posteriormente comercializados
de forma ilícita en el mercado de desechos industriales,
chatarreras o algunos talleres metalúrgicos, los cuales
procesan y transforman los elementos angulares de acero
en otras piezas. Por ejemplo, la Empresa de Transmisión
Eléctrica Dominicana (ETED) informó que del 2004 al 2012
fueron robadas alrededor de 200 toneladas de acero de
las torres eléctricas de 138 y 169 kV, con un costo aproximado
de $ 28 millones de pesos dominicanos. La Empresa
Nacional de Transmisión Eléctrica (ENATREL), en Nicaragua,
registró pérdidas superiores a los $ 2 millones de dólares
del 2007 al 2012, debido al robo de angulares de las torres
de las líneas de transmisión eléctrica.
La Empresa Provincial de la Energía (EPE), en Argentina, en el 2009 reportó el colapso de una torre de energía eléctrica de 132 kV, a la cual le fueron sustraídos componentes metálicos por actos de vandalismo, quedando sin servicio eléctrico el suroeste de la ciudad Santo Tomé y el pueblo de San José del Rincón. En la presentación del desarrollo del proyecto "Sistema de Interconexión Eléctrico para los Países de América Central (SIEPAC)", se mencionó que la Empresa Propietaria de la Red (EPR) deberá enfrentar diversos actos de vandalismo y sabotaje, entre otros el robo de piezas o elementos estructurales de las torres en Honduras y El Salvador. La Comisión Federal de Electricidad (CFE), en México, reportó que en la zona noroeste del país, en el periodo comprendido entre el 2010 y 2014, fueron sustraídas 90.08 toneladas de piezas angulares de acero de las torres de transmisión, con un costo de $ 13.192 millones de pesos. A nivel nacional se ha reportado el robo de elementos angulares metálicos de torres de las líneas de transmisión de 230 y 400 kV. En la Figura 1 se ilustran las torres de las líneas de transmisión con faltantes de elementos angulares.
La Empresa Provincial de la Energía (EPE), en Argentina, en el 2009 reportó el colapso de una torre de energía eléctrica de 132 kV, a la cual le fueron sustraídos componentes metálicos por actos de vandalismo, quedando sin servicio eléctrico el suroeste de la ciudad Santo Tomé y el pueblo de San José del Rincón. En la presentación del desarrollo del proyecto "Sistema de Interconexión Eléctrico para los Países de América Central (SIEPAC)", se mencionó que la Empresa Propietaria de la Red (EPR) deberá enfrentar diversos actos de vandalismo y sabotaje, entre otros el robo de piezas o elementos estructurales de las torres en Honduras y El Salvador. La Comisión Federal de Electricidad (CFE), en México, reportó que en la zona noroeste del país, en el periodo comprendido entre el 2010 y 2014, fueron sustraídas 90.08 toneladas de piezas angulares de acero de las torres de transmisión, con un costo de $ 13.192 millones de pesos. A nivel nacional se ha reportado el robo de elementos angulares metálicos de torres de las líneas de transmisión de 230 y 400 kV. En la Figura 1 se ilustran las torres de las líneas de transmisión con faltantes de elementos angulares.
Figura 1. Torres de energía eléctrica con elementos sustraídos.
Figura 1. Torres de energía eléctrica con elementos sustraídos.
Cuando se sustraen los elementos angulares de las torres
de las líneas que transportan la energía eléctrica desde las
plantas generadoras, o directamente en las líneas del sistema interconectado, se puede provocar una interrupción
del suministro eléctrico a nivel nacional o regional, afectando
la confiabilidad operativa de la línea. Por ejemplo, en
el año 2014, el colapso de las torres por retiro de elementos
angulares de acero de la Línea Victoria-Huehuetoca ocasionó
la salida de operación de la Subestación Victoria, lo
que afectó el suministro eléctrico a 122 mil 930 usuarios y a
varias empresas de la zona.
Colapso de torres de las líneas de transmisión
Colapso de torres de las líneas de transmisión
Cuando las fuerzas de viento impactan la torre en cualquier
dirección, éstas provocan una fuerza de tensión sobre las
piernas de la torre en dirección del viento. Sin embargo, en
los elementos de las piernas que no son golpeadas directamente
por las fuerzas de viento, se genera una fuerza
de compresión que se transmite hacia los soportes de las
piernas, presentándose el fenómeno de aplastamiento de
los elementos angulares de las piernas sobre los soportes.
Adicionalmente, es importante considerar las fuerzas ejercidas
por los componentes mismos de la torre, así como las que ejercen los elementos, tales como cadenas de aisladores,
conductores e hilos de guarda. Las fuerzas generadas
por estos elementos se proyectan hacia el centro
de la tierra y tienen el efecto de la fuerza de compresión
sobre la torre. Es por esto que el fenómeno de la fuerza de
tensión ocasionado por las cargas de viento se reduce de
manera considerable por el fenómeno de compresión que
ocurre en la torre.
Si se sustraen varios de los elementos angulares, la torre se vuelve inestable debido a la concentración de cargas en los elementos principales existentes, provocando el pandeo de éstos y, por consiguiente, el colapso de la torre. En la Figura 2 se ilustra una torre de transmisión colapsada.
Para evitar la sustracción de elementos angulares de acero, la CFE ha implementado algunos métodos como el patrullaje de las líneas con alto índice delictivo, el monitoreo de las torres con videocámaras, la aplicación de recubrimiento sobre los elementos metálicos y, recientemente, el probable monitoreo aplicando sensores en las torres de las líneas de transmisión.
Si se sustraen varios de los elementos angulares, la torre se vuelve inestable debido a la concentración de cargas en los elementos principales existentes, provocando el pandeo de éstos y, por consiguiente, el colapso de la torre. En la Figura 2 se ilustra una torre de transmisión colapsada.
Para evitar la sustracción de elementos angulares de acero, la CFE ha implementado algunos métodos como el patrullaje de las líneas con alto índice delictivo, el monitoreo de las torres con videocámaras, la aplicación de recubrimiento sobre los elementos metálicos y, recientemente, el probable monitoreo aplicando sensores en las torres de las líneas de transmisión.
Figura 2. Torre típica colapsada en México.
Figura 2. Torre típica colapsada en México.
Debido a los resultados obtenidos con los métodos anteriores,
en el Instituto Nacional de Electricidad y Energías
Limpias (INEEL) se analizó y desarrolló una innovadora
alternativa de solución implementada con el diseño de
conectores de hierro nodular y adhesivo en materiales
compuestos tipo polimérico de ingeniería.
Estadística de elementos redundantes en las
torres de transmisión
torres de transmisión
Estadística de elementos redundantes en las
torres de transmisión
torres de transmisión
Se realizó el censo de los elementos redundantes que integran
el bottom panel de 11 tipos diferentes de torres de
transmisión de 115, 230 y 400 kV, obteniéndose los resultados
mostrados en la Figura 3. Por sus dimensiones, los
elementos con alta probabilidad de ser sustraídos de la
sección del bottom panel son aquellos con longitudes
menores o iguales a 4.6 m, que corresponden al 95%. Con
base en la estadística anterior, se establecieron como referencia
longitudes para el diseño de los elementos redundantes
de material compuesto tipo polimérico de ingeniería
de hasta 2 m y hasta 4 m.
Alternativa de solución mediante el uso de
materiales compuestos
materiales compuestos
Alternativa de solución mediante el uso de
materiales compuestos
materiales compuestos
Algunos países como Estados Unidos, India y China, han
realizado investigaciones y construido torres de transmisión
completas de material compuesto tipo polimérico de ingeniería.
Sin embargo, a nivel mundial no se tiene experiencia
en torres híbridas que contemplen la sustitución de perfiles
metálicos por materiales compuestos tipo polimérico de
ingeniería en la zona del bottom panel y cerramiento.
Los materiales compuestos tienen excelentes propiedades mecánicas que pueden superar las del acero, por supuesto, estos materiales son costosos en su inversión inicial, pero pueden ser una alternativa de solución viable para el robo de elementos angulares de acero.
Los materiales compuestos tienen excelentes propiedades mecánicas que pueden superar las del acero, por supuesto, estos materiales son costosos en su inversión inicial, pero pueden ser una alternativa de solución viable para el robo de elementos angulares de acero.
Figura 3. Estadística de elementos angulares de las torres de 115, 230 y 400 kV.
Figura 3. Estadística de elementos angulares de las torres de 115, 230 y 400 kV.
Metodología
Metodología
El INEEL propuso un sistema de conexión universal que
puede ser aplicado en el bottom panel y cerramiento de las
torres de líneas de transmisión de 230 y 400 kV, formado
por 4 materiales compuestos tipo polimérico de ingeniería,
un conector de hierro nodular y un material adhesivo,
cumpliendo con las recomendaciones de la normativa
nacional e internacional, la cual permite conocer las cargas
actuantes de los elementos en una torre de transmisión.
Para lograrlo, el INEEL analizó 35 materiales compuestos tipo termoplásticos y termoestables, seleccionando 17 alternativas viables, de las cuales, 4 fueron utilizadas para diseñar los elementos redundantes a instalar en la zona del bottom panel.
De la misma manera, se analizaron y diseñaron 4 conectores de hierro nodular que no involucran la perforación de los elementos redundantes de materiales compuestos, con la finalidad de no disminuir sus propiedades mecánicas y provocar un modo de falla en el material compuesto.
Para unir ambos materiales se analizaron diversos tipos de adhesivos y, de acuerdo con sus características mecánicas, se seleccionó el adhesivo tipo acrílico por su excelente durabilidad, resistencia a la fatiga, agentes ambientales, propagación de la rotura, efecto de holgura de adhesión, diseño de la junta y al corto tiempo para maniobrar, comparado con otros tipos de adhesivos.
Las características mecánicas, como tensión y flexión, de las alternativas de los materiales compuestos fueron simuladas utilizando el análisis con elemento finito, y con el análisis se determinó que la torre no presenta deformaciones con los elementos compuestos sustituidos.
Asimismo, se realizaron en laboratorio pruebas de flexión y tensión a los materiales compuestos tipo polimérico de ingeniería con un equipo universal de pruebas mecánicas. Las alternativas propuestas cumplen con los valores de resistencia mecánica y flexión requeridos para sustituir elementos de acero en el bottom panel de torres de transmisión de energía eléctrica.
Para lograrlo, el INEEL analizó 35 materiales compuestos tipo termoplásticos y termoestables, seleccionando 17 alternativas viables, de las cuales, 4 fueron utilizadas para diseñar los elementos redundantes a instalar en la zona del bottom panel.
De la misma manera, se analizaron y diseñaron 4 conectores de hierro nodular que no involucran la perforación de los elementos redundantes de materiales compuestos, con la finalidad de no disminuir sus propiedades mecánicas y provocar un modo de falla en el material compuesto.
Para unir ambos materiales se analizaron diversos tipos de adhesivos y, de acuerdo con sus características mecánicas, se seleccionó el adhesivo tipo acrílico por su excelente durabilidad, resistencia a la fatiga, agentes ambientales, propagación de la rotura, efecto de holgura de adhesión, diseño de la junta y al corto tiempo para maniobrar, comparado con otros tipos de adhesivos.
Las características mecánicas, como tensión y flexión, de las alternativas de los materiales compuestos fueron simuladas utilizando el análisis con elemento finito, y con el análisis se determinó que la torre no presenta deformaciones con los elementos compuestos sustituidos.
Asimismo, se realizaron en laboratorio pruebas de flexión y tensión a los materiales compuestos tipo polimérico de ingeniería con un equipo universal de pruebas mecánicas. Las alternativas propuestas cumplen con los valores de resistencia mecánica y flexión requeridos para sustituir elementos de acero en el bottom panel de torres de transmisión de energía eléctrica.
Instalación de elementos redundantes de
material polimérico de ingeniería
material polimérico de ingeniería
Instalación de elementos redundantes de
material polimérico de ingeniería
material polimérico de ingeniería
La instalación se llevó a cabo con el apoyo de personal
de la CFE Transmisión. Se instalaron 4 diferentes alternativas
en un total de 16 torres de transmisión, instalando
cada alternativa en 4 torres, como se muestra en la Figura 4.
Cada perfil de material compuesto considera 2 tamaños de
sección transversal; el perfil de menor sección sustituye los
elementos de acero de hasta 2 m de longitud, mientras que
el perfil de mayor sección sustituye los elementos de acero
mayores que 2 m, pero menores que 4 m de largo.
Comportamiento de los elementos
redundantes en campo posterior a su
instalación
redundantes en campo posterior a su
instalación
Comportamiento de los elementos
redundantes en campo posterior a su
instalación
redundantes en campo posterior a su
instalación
Después de casi 4 años de la sustitución de los elementos
redundantes de acero por elementos redundantes de
material compuesto, no se ha informado de fallas mecánicas
en los materiales compuestos, conectores mecánicos,
daño por rayos UV, o daños en la junta adhesiva de los
elementos redundantes instalados en las 16 torres de las
líneas de transmisión.
Sin embargo, en las torres 99 y 101 de la línea de transmisión Yautepec Potencia-A3640-Topilejo se detectó la sustracción de elementos redundantes de acero y material polimérico de ingeniería tipos REFV y RVEFV, ubicados en la zona del bottom panel. La Figura 5 ilustra la torre 99 antes (a) y después (b) del robo de los elementos principales, secundarios y redundantes de los perfiles de geometría angular de acero, y redundantes de geometría circular de material compuesto tipo REFV, y su rehabilitación (c). En la Figura 6 se ilustra la torre 101 antes (a) y después (b) del robo de los elementos principales, secundarios y redundantes de los perfiles de geometría angular de acero, y redundantes de geometría angular de material compuesto tipo RVEFV, y su rehabilitación (c).
Sin embargo, en las torres 99 y 101 de la línea de transmisión Yautepec Potencia-A3640-Topilejo se detectó la sustracción de elementos redundantes de acero y material polimérico de ingeniería tipos REFV y RVEFV, ubicados en la zona del bottom panel. La Figura 5 ilustra la torre 99 antes (a) y después (b) del robo de los elementos principales, secundarios y redundantes de los perfiles de geometría angular de acero, y redundantes de geometría circular de material compuesto tipo REFV, y su rehabilitación (c). En la Figura 6 se ilustra la torre 101 antes (a) y después (b) del robo de los elementos principales, secundarios y redundantes de los perfiles de geometría angular de acero, y redundantes de geometría angular de material compuesto tipo RVEFV, y su rehabilitación (c).
Figura 4. Instalación de los elementos redundantes de material compuesto en las torres de
transmisión de energía eléctrica. (a) Redundante de geometría circular, (b) geometría rectangular,
y (c) geometría angular.
Figura 4. Instalación de los elementos redundantes de material compuesto en las torres de
transmisión de energía eléctrica. (a) Redundante de geometría circular, (b) geometría rectangular,
y (c) geometría angular.
Figura 5. Torre 99 de la línea de transmisión YTP-A3640-TOP antes (a) y después (b) del robo de
elementos, y posterior a su rehabilitación (c).
Figura 5. Torre 99 de la línea de transmisión YTP-A3640-TOP antes (a) y después (b) del robo de
elementos, y posterior a su rehabilitación (c).
Figura 6. Torre 101 de la línea de transmisión YTP-A3640-TOP antes (a) y después (b) del robo de
elementos, y posterior a su rehabilitación (c).
Figura 6. Torre 101 de la línea de transmisión YTP-A3640-TOP antes (a) y después (b) del robo de
elementos, y posterior a su rehabilitación (c).
Para la torre 99, los elementos sustraídos en la zona del
bottom panel fueron 16 elementos entre las 4 patas de la
torre; mientras que los elementos compuestos tipo REFV
sustraídos en la zona del bottom panel fueron 5 elementos
entre las patas de la torre, como se ilustra en las fotografías
de la Figura 5.
En la zona del bottom panel de la torre 101 fueron sustraídos 15 elementos entre primarios y redundantes, de los cuales 14 elementos son de acero y están distribuidos entre las 4 patas de la torre, mientras que un elemento redundante de material compuesto tipo RVEFV de una pata de la torre fue sustraído, como se ilustra en las fotografías de la Figura 6.
En la zona del bottom panel de la torre 101 fueron sustraídos 15 elementos entre primarios y redundantes, de los cuales 14 elementos son de acero y están distribuidos entre las 4 patas de la torre, mientras que un elemento redundante de material compuesto tipo RVEFV de una pata de la torre fue sustraído, como se ilustra en las fotografías de la Figura 6.
Conclusiones
Conclusiones
La sustracción ilegal de elementos redundantes metálicos
de las torres de las líneas de transmisión es un fenómeno
creciente y serio a nivel mundial, que repercute en la confiabilidad
del suministro de energía eléctrica afectando a
miles de usuarios.
Elementos redundantes de material compuesto tipo polimérico de ingeniería con un sistema de conexión adecuado fueron diseñados y desarrollados en el INEEL, como una alternativa innovadora para sustituir a perfiles angulares de acero existentes en la zona del bottom panel y cerramiento de torres de transmisión de 230 y 400 kV, con la finalidad de desalentar la sustracción ilegal de los perfiles angulares de acero de las torres.
El comportamiento de los elementos redundantes y su método de conexión han resultado en que esta alternativa no es atractiva para su comercialización en chatarreras y talleres metalúrgicos, debido a su bajo contenido de material metálico, por lo que esta solución resulta menos atractiva al robo. A pesar de que el costo inicial por la sustitución de los elementos redundantes de material compuesto puede ser elevado, la inversión puede ser recuperada debido a que estos elementos de material compuesto ya no son removidos de las torres.
Elementos redundantes de material compuesto tipo polimérico de ingeniería con un sistema de conexión adecuado fueron diseñados y desarrollados en el INEEL, como una alternativa innovadora para sustituir a perfiles angulares de acero existentes en la zona del bottom panel y cerramiento de torres de transmisión de 230 y 400 kV, con la finalidad de desalentar la sustracción ilegal de los perfiles angulares de acero de las torres.
El comportamiento de los elementos redundantes y su método de conexión han resultado en que esta alternativa no es atractiva para su comercialización en chatarreras y talleres metalúrgicos, debido a su bajo contenido de material metálico, por lo que esta solución resulta menos atractiva al robo. A pesar de que el costo inicial por la sustitución de los elementos redundantes de material compuesto puede ser elevado, la inversión puede ser recuperada debido a que estos elementos de material compuesto ya no son removidos de las torres.
Agradecimientos
Agradecimientos
Los autores agradecen al personal de CFE-CT que participó
en la ejecución del proyecto y extienden su profunda gratitud
al personal de la CFE-Zona de Transmisión Puebla, así
como al personal de la CFE-Zona de Transmisión Sur, por
su colaboración en la instalación de los elementos redundantes
de material compuesto en sus líneas de transmisión.
Autores:
Isaías Ramírez Vázquez, iramirez@ineel.mx;
Ramiro Hernández Corona, rhc@ineel.mx
Alberto Hernández Valdez, ahvaldez@ineel.mx
Alberto Brito Luisillo, abrito@ineel.mx
Julio César Vergara Vázquez,
David Ponce Noyola, dponce@ineel.mx
Fernando Ramírez Malpica,
Manuel Ávila Rodríguez.
Antonio Paniagua Silva,
Carlos Hurtado Hurtado,
Cesar Manzanares Díaz,
Ricardo Delgado Corona,
Jorge Romero López,
Carmelo Pérez Aguilar (CFE)
Isaías Ramírez Vázquez, iramirez@ineel.mx;
Ramiro Hernández Corona, rhc@ineel.mx
Alberto Hernández Valdez, ahvaldez@ineel.mx
Alberto Brito Luisillo, abrito@ineel.mx
Julio César Vergara Vázquez,
David Ponce Noyola, dponce@ineel.mx
Fernando Ramírez Malpica,
Manuel Ávila Rodríguez.
Antonio Paniagua Silva,
Carlos Hurtado Hurtado,
Cesar Manzanares Díaz,
Ricardo Delgado Corona,
Jorge Romero López,
Carmelo Pérez Aguilar (CFE)
Ciencia al descubierto
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Los elementos angulares de
materiales compuestos reducen
el vandalismo en las torres de
transmisión
materiales compuestos reducen
el vandalismo en las torres de
transmisión
Los elementos angulares de
materiales compuestos reducen
el vandalismo en las torres de
transmisión
materiales compuestos reducen
el vandalismo en las torres de
transmisión
Introducción
Introducción
Los elementos angulares de acero han sido sustraídos de
las torres de transmisión y posteriormente comercializados
de forma ilícita en el mercado de desechos industriales,
chatarreras o algunos talleres metalúrgicos, los cuales
procesan y transforman los elementos angulares de acero
en otras piezas. Por ejemplo, la Empresa de Transmisión
Eléctrica Dominicana (ETED) informó que del 2004 al 2012
fueron robadas alrededor de 200 toneladas de acero de
las torres eléctricas de 138 y 169 kV, con un costo aproximado
de $ 28 millones de pesos dominicanos. La Empresa
Nacional de Transmisión Eléctrica (ENATREL), en Nicaragua,
registró pérdidas superiores a los $ 2 millones de dólares
del 2007 al 2012, debido al robo de angulares de las torres
de las líneas de transmisión eléctrica.
La Empresa Provincial de la Energía (EPE), en Argentina, en el 2009 reportó el colapso de una torre de energía eléctrica de 132 kV, a la cual le fueron sustraídos componentes metálicos por actos de vandalismo, quedando sin servicio eléctrico el suroeste de la ciudad Santo Tomé y el pueblo de San José del Rincón. En la presentación del desarrollo del proyecto "Sistema de Interconexión Eléctrico para los Países de América Central (SIEPAC)", se mencionó que la Empresa Propietaria de la Red (EPR) deberá enfrentar diversos actos de vandalismo y sabotaje, entre otros el robo de piezas o elementos estructurales de las torres en Honduras y El Salvador. La Comisión Federal de Electricidad (CFE), en México, reportó que en la zona noroeste del país, en el periodo comprendido entre el 2010 y 2014, fueron sustraídas 90.08 toneladas de piezas angulares de acero de las torres de transmisión, con un costo de $ 13.192 millones de pesos. A nivel nacional se ha reportado el robo de elementos angulares metálicos de torres de las líneas de transmisión de 230 y 400 kV. En la Figura 1 se ilustran las torres de las líneas de transmisión con faltantes de elementos angulares.
La Empresa Provincial de la Energía (EPE), en Argentina, en el 2009 reportó el colapso de una torre de energía eléctrica de 132 kV, a la cual le fueron sustraídos componentes metálicos por actos de vandalismo, quedando sin servicio eléctrico el suroeste de la ciudad Santo Tomé y el pueblo de San José del Rincón. En la presentación del desarrollo del proyecto "Sistema de Interconexión Eléctrico para los Países de América Central (SIEPAC)", se mencionó que la Empresa Propietaria de la Red (EPR) deberá enfrentar diversos actos de vandalismo y sabotaje, entre otros el robo de piezas o elementos estructurales de las torres en Honduras y El Salvador. La Comisión Federal de Electricidad (CFE), en México, reportó que en la zona noroeste del país, en el periodo comprendido entre el 2010 y 2014, fueron sustraídas 90.08 toneladas de piezas angulares de acero de las torres de transmisión, con un costo de $ 13.192 millones de pesos. A nivel nacional se ha reportado el robo de elementos angulares metálicos de torres de las líneas de transmisión de 230 y 400 kV. En la Figura 1 se ilustran las torres de las líneas de transmisión con faltantes de elementos angulares.
Figura 1. Torres de energía eléctrica con elementos sustraídos.
Figura 1. Torres de energía eléctrica con elementos sustraídos.
Cuando se sustraen los elementos angulares de las torres
de las líneas que transportan la energía eléctrica desde las
plantas generadoras, o directamente en las líneas del sistema interconectado, se puede provocar una interrupción
del suministro eléctrico a nivel nacional o regional, afectando
la confiabilidad operativa de la línea. Por ejemplo, en
el año 2014, el colapso de las torres por retiro de elementos
angulares de acero de la Línea Victoria-Huehuetoca ocasionó
la salida de operación de la Subestación Victoria, lo
que afectó el suministro eléctrico a 122 mil 930 usuarios y a
varias empresas de la zona.
Colapso de torres de las líneas de transmisión
Colapso de torres de las líneas de transmisión
Cuando las fuerzas de viento impactan la torre en cualquier
dirección, éstas provocan una fuerza de tensión sobre las
piernas de la torre en dirección del viento. Sin embargo, en
los elementos de las piernas que no son golpeadas directamente
por las fuerzas de viento, se genera una fuerza
de compresión que se transmite hacia los soportes de las
piernas, presentándose el fenómeno de aplastamiento de
los elementos angulares de las piernas sobre los soportes.
Adicionalmente, es importante considerar las fuerzas ejercidas
por los componentes mismos de la torre, así como las que ejercen los elementos, tales como cadenas de aisladores,
conductores e hilos de guarda. Las fuerzas generadas
por estos elementos se proyectan hacia el centro
de la tierra y tienen el efecto de la fuerza de compresión
sobre la torre. Es por esto que el fenómeno de la fuerza de
tensión ocasionado por las cargas de viento se reduce de
manera considerable por el fenómeno de compresión que
ocurre en la torre.
Si se sustraen varios de los elementos angulares, la torre se vuelve inestable debido a la concentración de cargas en los elementos principales existentes, provocando el pandeo de éstos y, por consiguiente, el colapso de la torre. En la Figura 2 se ilustra una torre de transmisión colapsada.
Para evitar la sustracción de elementos angulares de acero, la CFE ha implementado algunos métodos como el patrullaje de las líneas con alto índice delictivo, el monitoreo de las torres con videocámaras, la aplicación de recubrimiento sobre los elementos metálicos y, recientemente, el probable monitoreo aplicando sensores en las torres de las líneas de transmisión.
Si se sustraen varios de los elementos angulares, la torre se vuelve inestable debido a la concentración de cargas en los elementos principales existentes, provocando el pandeo de éstos y, por consiguiente, el colapso de la torre. En la Figura 2 se ilustra una torre de transmisión colapsada.
Para evitar la sustracción de elementos angulares de acero, la CFE ha implementado algunos métodos como el patrullaje de las líneas con alto índice delictivo, el monitoreo de las torres con videocámaras, la aplicación de recubrimiento sobre los elementos metálicos y, recientemente, el probable monitoreo aplicando sensores en las torres de las líneas de transmisión.
Figura 2. Torre típica colapsada en México.
Figura 2. Torre típica colapsada en México.
Debido a los resultados obtenidos con los métodos anteriores,
en el Instituto Nacional de Electricidad y Energías
Limpias (INEEL) se analizó y desarrolló una innovadora
alternativa de solución implementada con el diseño de
conectores de hierro nodular y adhesivo en materiales
compuestos tipo polimérico de ingeniería.
Estadística de elementos redundantes en las
torres de transmisión
torres de transmisión
Estadística de elementos redundantes en las
torres de transmisión
torres de transmisión
Se realizó el censo de los elementos redundantes que integran
el bottom panel de 11 tipos diferentes de torres de
transmisión de 115, 230 y 400 kV, obteniéndose los resultados
mostrados en la Figura 3. Por sus dimensiones, los
elementos con alta probabilidad de ser sustraídos de la
sección del bottom panel son aquellos con longitudes
menores o iguales a 4.6 m, que corresponden al 95%. Con
base en la estadística anterior, se establecieron como referencia
longitudes para el diseño de los elementos redundantes
de material compuesto tipo polimérico de ingeniería
de hasta 2 m y hasta 4 m.
Alternativa de solución mediante el uso de
materiales compuestos
materiales compuestos
Alternativa de solución mediante el uso de
materiales compuestos
materiales compuestos
Algunos países como Estados Unidos, India y China, han
realizado investigaciones y construido torres de transmisión
completas de material compuesto tipo polimérico de ingeniería.
Sin embargo, a nivel mundial no se tiene experiencia
en torres híbridas que contemplen la sustitución de perfiles
metálicos por materiales compuestos tipo polimérico de
ingeniería en la zona del bottom panel y cerramiento.
Los materiales compuestos tienen excelentes propiedades mecánicas que pueden superar las del acero, por supuesto, estos materiales son costosos en su inversión inicial, pero pueden ser una alternativa de solución viable para el robo de elementos angulares de acero.
Los materiales compuestos tienen excelentes propiedades mecánicas que pueden superar las del acero, por supuesto, estos materiales son costosos en su inversión inicial, pero pueden ser una alternativa de solución viable para el robo de elementos angulares de acero.
Figura 3. Estadística de elementos angulares de las torres de 115, 230 y 400 kV.
Figura 3. Estadística de elementos angulares de las torres de 115, 230 y 400 kV.
Metodología
Metodología
El INEEL propuso un sistema de conexión universal que
puede ser aplicado en el bottom panel y cerramiento de las
torres de líneas de transmisión de 230 y 400 kV, formado
por 4 materiales compuestos tipo polimérico de ingeniería,
un conector de hierro nodular y un material adhesivo,
cumpliendo con las recomendaciones de la normativa
nacional e internacional, la cual permite conocer las cargas
actuantes de los elementos en una torre de transmisión.
Para lograrlo, el INEEL analizó 35 materiales compuestos tipo termoplásticos y termoestables, seleccionando 17 alternativas viables, de las cuales, 4 fueron utilizadas para diseñar los elementos redundantes a instalar en la zona del bottom panel.
De la misma manera, se analizaron y diseñaron 4 conectores de hierro nodular que no involucran la perforación de los elementos redundantes de materiales compuestos, con la finalidad de no disminuir sus propiedades mecánicas y provocar un modo de falla en el material compuesto.
Para unir ambos materiales se analizaron diversos tipos de adhesivos y, de acuerdo con sus características mecánicas, se seleccionó el adhesivo tipo acrílico por su excelente durabilidad, resistencia a la fatiga, agentes ambientales, propagación de la rotura, efecto de holgura de adhesión, diseño de la junta y al corto tiempo para maniobrar, comparado con otros tipos de adhesivos.
Las características mecánicas, como tensión y flexión, de las alternativas de los materiales compuestos fueron simuladas utilizando el análisis con elemento finito, y con el análisis se determinó que la torre no presenta deformaciones con los elementos compuestos sustituidos.
Asimismo, se realizaron en laboratorio pruebas de flexión y tensión a los materiales compuestos tipo polimérico de ingeniería con un equipo universal de pruebas mecánicas. Las alternativas propuestas cumplen con los valores de resistencia mecánica y flexión requeridos para sustituir elementos de acero en el bottom panel de torres de transmisión de energía eléctrica.
Para lograrlo, el INEEL analizó 35 materiales compuestos tipo termoplásticos y termoestables, seleccionando 17 alternativas viables, de las cuales, 4 fueron utilizadas para diseñar los elementos redundantes a instalar en la zona del bottom panel.
De la misma manera, se analizaron y diseñaron 4 conectores de hierro nodular que no involucran la perforación de los elementos redundantes de materiales compuestos, con la finalidad de no disminuir sus propiedades mecánicas y provocar un modo de falla en el material compuesto.
Para unir ambos materiales se analizaron diversos tipos de adhesivos y, de acuerdo con sus características mecánicas, se seleccionó el adhesivo tipo acrílico por su excelente durabilidad, resistencia a la fatiga, agentes ambientales, propagación de la rotura, efecto de holgura de adhesión, diseño de la junta y al corto tiempo para maniobrar, comparado con otros tipos de adhesivos.
Las características mecánicas, como tensión y flexión, de las alternativas de los materiales compuestos fueron simuladas utilizando el análisis con elemento finito, y con el análisis se determinó que la torre no presenta deformaciones con los elementos compuestos sustituidos.
Asimismo, se realizaron en laboratorio pruebas de flexión y tensión a los materiales compuestos tipo polimérico de ingeniería con un equipo universal de pruebas mecánicas. Las alternativas propuestas cumplen con los valores de resistencia mecánica y flexión requeridos para sustituir elementos de acero en el bottom panel de torres de transmisión de energía eléctrica.
Instalación de elementos redundantes de
material polimérico de ingeniería
material polimérico de ingeniería
Instalación de elementos redundantes de
material polimérico de ingeniería
material polimérico de ingeniería
La instalación se llevó a cabo con el apoyo de personal
de la CFE Transmisión. Se instalaron 4 diferentes alternativas
en un total de 16 torres de transmisión, instalando
cada alternativa en 4 torres, como se muestra en la Figura 4.
Cada perfil de material compuesto considera 2 tamaños de
sección transversal; el perfil de menor sección sustituye los
elementos de acero de hasta 2 m de longitud, mientras que
el perfil de mayor sección sustituye los elementos de acero
mayores que 2 m, pero menores que 4 m de largo.
Comportamiento de los elementos
redundantes en campo posterior a su
instalación
redundantes en campo posterior a su
instalación
Comportamiento de los elementos
redundantes en campo posterior a su
instalación
redundantes en campo posterior a su
instalación
Después de casi 4 años de la sustitución de los elementos
redundantes de acero por elementos redundantes de
material compuesto, no se ha informado de fallas mecánicas
en los materiales compuestos, conectores mecánicos,
daño por rayos UV, o daños en la junta adhesiva de los
elementos redundantes instalados en las 16 torres de las
líneas de transmisión.
Sin embargo, en las torres 99 y 101 de la línea de transmisión Yautepec Potencia-A3640-Topilejo se detectó la sustracción de elementos redundantes de acero y material polimérico de ingeniería tipos REFV y RVEFV, ubicados en la zona del bottom panel. La Figura 5 ilustra la torre 99 antes (a) y después (b) del robo de los elementos principales, secundarios y redundantes de los perfiles de geometría angular de acero, y redundantes de geometría circular de material compuesto tipo REFV, y su rehabilitación (c). En la Figura 6 se ilustra la torre 101 antes (a) y después (b) del robo de los elementos principales, secundarios y redundantes de los perfiles de geometría angular de acero, y redundantes de geometría angular de material compuesto tipo RVEFV, y su rehabilitación (c).
Sin embargo, en las torres 99 y 101 de la línea de transmisión Yautepec Potencia-A3640-Topilejo se detectó la sustracción de elementos redundantes de acero y material polimérico de ingeniería tipos REFV y RVEFV, ubicados en la zona del bottom panel. La Figura 5 ilustra la torre 99 antes (a) y después (b) del robo de los elementos principales, secundarios y redundantes de los perfiles de geometría angular de acero, y redundantes de geometría circular de material compuesto tipo REFV, y su rehabilitación (c). En la Figura 6 se ilustra la torre 101 antes (a) y después (b) del robo de los elementos principales, secundarios y redundantes de los perfiles de geometría angular de acero, y redundantes de geometría angular de material compuesto tipo RVEFV, y su rehabilitación (c).
Figura 4. Instalación de los elementos redundantes de material compuesto en las torres de
transmisión de energía eléctrica. (a) Redundante de geometría circular, (b) geometría rectangular,
y (c) geometría angular.
Figura 4. Instalación de los elementos redundantes de material compuesto en las torres de
transmisión de energía eléctrica. (a) Redundante de geometría circular, (b) geometría rectangular,
y (c) geometría angular.
Figura 5. Torre 99 de la línea de transmisión YTP-A3640-TOP antes (a) y después (b) del robo de
elementos, y posterior a su rehabilitación (c).
Figura 5. Torre 99 de la línea de transmisión YTP-A3640-TOP antes (a) y después (b) del robo de
elementos, y posterior a su rehabilitación (c).
Figura 6. Torre 101 de la línea de transmisión YTP-A3640-TOP antes (a) y después (b) del robo de
elementos, y posterior a su rehabilitación (c).
Figura 6. Torre 101 de la línea de transmisión YTP-A3640-TOP antes (a) y después (b) del robo de
elementos, y posterior a su rehabilitación (c).
Para la torre 99, los elementos sustraídos en la zona del
bottom panel fueron 16 elementos entre las 4 patas de la
torre; mientras que los elementos compuestos tipo REFV
sustraídos en la zona del bottom panel fueron 5 elementos
entre las patas de la torre, como se ilustra en las fotografías
de la Figura 5.
En la zona del bottom panel de la torre 101 fueron sustraídos 15 elementos entre primarios y redundantes, de los cuales 14 elementos son de acero y están distribuidos entre las 4 patas de la torre, mientras que un elemento redundante de material compuesto tipo RVEFV de una pata de la torre fue sustraído, como se ilustra en las fotografías de la Figura 6.
En la zona del bottom panel de la torre 101 fueron sustraídos 15 elementos entre primarios y redundantes, de los cuales 14 elementos son de acero y están distribuidos entre las 4 patas de la torre, mientras que un elemento redundante de material compuesto tipo RVEFV de una pata de la torre fue sustraído, como se ilustra en las fotografías de la Figura 6.
Conclusiones
Conclusiones
La sustracción ilegal de elementos redundantes metálicos
de las torres de las líneas de transmisión es un fenómeno
creciente y serio a nivel mundial, que repercute en la confiabilidad
del suministro de energía eléctrica afectando a
miles de usuarios.
Elementos redundantes de material compuesto tipo polimérico de ingeniería con un sistema de conexión adecuado fueron diseñados y desarrollados en el INEEL, como una alternativa innovadora para sustituir a perfiles angulares de acero existentes en la zona del bottom panel y cerramiento de torres de transmisión de 230 y 400 kV, con la finalidad de desalentar la sustracción ilegal de los perfiles angulares de acero de las torres.
El comportamiento de los elementos redundantes y su método de conexión han resultado en que esta alternativa no es atractiva para su comercialización en chatarreras y talleres metalúrgicos, debido a su bajo contenido de material metálico, por lo que esta solución resulta menos atractiva al robo. A pesar de que el costo inicial por la sustitución de los elementos redundantes de material compuesto puede ser elevado, la inversión puede ser recuperada debido a que estos elementos de material compuesto ya no son removidos de las torres.
Elementos redundantes de material compuesto tipo polimérico de ingeniería con un sistema de conexión adecuado fueron diseñados y desarrollados en el INEEL, como una alternativa innovadora para sustituir a perfiles angulares de acero existentes en la zona del bottom panel y cerramiento de torres de transmisión de 230 y 400 kV, con la finalidad de desalentar la sustracción ilegal de los perfiles angulares de acero de las torres.
El comportamiento de los elementos redundantes y su método de conexión han resultado en que esta alternativa no es atractiva para su comercialización en chatarreras y talleres metalúrgicos, debido a su bajo contenido de material metálico, por lo que esta solución resulta menos atractiva al robo. A pesar de que el costo inicial por la sustitución de los elementos redundantes de material compuesto puede ser elevado, la inversión puede ser recuperada debido a que estos elementos de material compuesto ya no son removidos de las torres.
Agradecimientos
Agradecimientos
Los autores agradecen al personal de CFE-CT que participó
en la ejecución del proyecto y extienden su profunda gratitud
al personal de la CFE-Zona de Transmisión Puebla, así
como al personal de la CFE-Zona de Transmisión Sur, por
su colaboración en la instalación de los elementos redundantes
de material compuesto en sus líneas de transmisión.
Autores:
Isaías Ramírez Vázquez, iramirez@ineel.mx;
Ramiro Hernández Corona, rhc@ineel.mx
Alberto Hernández Valdez, ahvaldez@ineel.mx
Alberto Brito Luisillo, abrito@ineel.mx
Julio César Vergara Vázquez,
David Ponce Noyola, dponce@ineel.mx
Fernando Ramírez Malpica,
Manuel Ávila Rodríguez.
Antonio Paniagua Silva,
Carlos Hurtado Hurtado,
Cesar Manzanares Díaz,
Ricardo Delgado Corona,
Jorge Romero López,
Carmelo Pérez Aguilar (CFE)
Isaías Ramírez Vázquez, iramirez@ineel.mx;
Ramiro Hernández Corona, rhc@ineel.mx
Alberto Hernández Valdez, ahvaldez@ineel.mx
Alberto Brito Luisillo, abrito@ineel.mx
Julio César Vergara Vázquez,
David Ponce Noyola, dponce@ineel.mx
Fernando Ramírez Malpica,
Manuel Ávila Rodríguez.
Antonio Paniagua Silva,
Carlos Hurtado Hurtado,
Cesar Manzanares Díaz,
Ricardo Delgado Corona,
Jorge Romero López,
Carmelo Pérez Aguilar (CFE)
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