Vibración eólica en líneas aéreas: causas y control
La vibración eólica casi no deja rastro alguno hasta que alguien abre una abrazadera de suspensión y descubre que los hilos exteriores de aluminio están cortados. El conductor se ve recto, la holgura es la correcta, las abrazaderas se ajustaron según las especificaciones y la línea ha estado sometiéndose a fatiga durante años con una amplitud de aproximadamente un diámetro del conductor —un movimiento que nadie nota desde el suelo. Para cuando el daño es visible desde un camión con canasta, por lo general ya se trata de un trabajo de reparación en lugar de una nota de mantenimiento.
Esto tiene importancia desde el punto de vista comercial. La protección contra vibraciones es el elemento que con mayor frecuencia se elimina durante el proceso de ingeniería de valor, ya que es invisible, tiene un costo bajo en comparación con el conductor y es fácil considerarla opcional. La consecuencia se manifiesta de tres a ocho años después en la boca de la abrazadera. A continuación se abordan el mecanismo, los indicios de daño, las opciones de protección y cómo se especifica e inspecciona cada una. No se proporcionan frecuencias de sintonización, distancias de instalación ni umbrales de aceptación: estos se calculan por sección de línea y por conductor, y deben provenir de la hoja de cálculo del proveedor y de las especificaciones del proyecto.
Qué es realmente la vibración eólica
El viento que atraviesa un conductor en un ángulo moderado genera vórtices alternativamente en su superficie superior e inferior, lo que produce una pequeña fuerza alterna perpendicular al viento. La frecuencia de desprendimiento aumenta con la velocidad del viento y disminuye con el diámetro del conductor, y puede expresarse como el número de Strouhal multiplicado por la velocidad del viento y dividido por el diámetro; para un conductor redondo y liso, el número de Strouhal se sitúa cerca de 0,2, por lo que un conductor delgado desprenderse a una frecuencia mucho mayor que uno grueso con el mismo viento.
El conductor también es una cuerda tensada, cuyas frecuencias naturales vienen determinadas por la longitud, la tensión y la masa por unidad de longitud. La vibración se vuelve dañina cuando la frecuencia de desprendimiento coincide con una de ellas: el conductor queda atrapado en una onda estacionaria y la frecuencia de desprendimiento sigue al conductor en lugar de al viento. Ese bloqueo hace que el fenómeno sea persistente; no es necesario que el viento sea fuerte ni constante, y un viento laminar suave que atraviesa un valle expuesto es la condición clásica.
Hay tres características que determinan todas las decisiones posteriores. La amplitud es pequeña —aproximadamente un diámetro—, por lo que no se trata de una oscilación galopante y no provoca descargas eléctricas. La frecuencia es alta y los ciclos se acumulan rápidamente, por lo que la fatiga es el factor determinante, más que la resistencia. Además, la deformación por flexión se concentra donde el conductor sale de un cuerpo rígido; por eso las fallas se presentan en la abrazadera y por eso la protección contra la vibración es un problema que involucra tanto a la abrazadera como al conductor.
¿Por qué se produce el daño en la boca de la abrazadera?
En el punto medio del vano, el conductor se dobla libremente, y la curvatura de un bucle con amplitud de un diámetro es pequeña. En el punto donde el conductor sale de una abrazadera de suspensión, de tensión o de amortiguación, queda efectivamente inmovilizado contra la rotación. La rigidez a la flexión cambia bruscamente de la zona sujeta a la libre, y las tensiones de flexión alternantes alcanzan su máximo a poca distancia de la boca de la abrazadera —por lo general, en los primeros cientos de milímetros—, precisamente la región que los programas de inspección omiten porque se encuentra debajo del cuerpo de la abrazadera y de las varillas de armadura.
El mecanismo es la fatiga por roce, no la simple tensión. Los hilos de aluminio adyacentes se deslizan unos contra otros una fracción de milímetro, muchas veces por segundo. Ese microdeslizamiento rompe la película de óxido que protege el aluminio y genera un fino polvo de óxido negro o gris —a menudo la primera evidencia visible, que se encuentra dentro del cuerpo de la abrazadera o debajo de las varillas mucho antes de que se rompa un cordón—. Una vez que hay residuos presentes, el reparto de carga entre los cordones se vuelve desigual, y los cordones externos fallan uno por uno, de afuera hacia adentro.
Las fracturas por fatiga tienen un aspecto diferente al de las fracturas por sobrecarga, y vale la pena enseñar esta diferencia a los inspectores. Una fractura por sobrecarga presenta estrechamiento, una superficie opaca en forma de copa y cono y, a menudo, un entramado de hilos. Una fractura por fatiga en un cordón de aluminio presenta una superficie plana y brillante, a veces con marcas de fricción poco marcadas, sin estrechamiento. Cuando varios cordones en la boca de una abrazadera muestran superficies planas en posiciones ligeramente diferentes, la causa es la vibración y no un evento aislado.
Las variables que determinan si una línea vibrará
La vibración no es una propiedad de un conductor. Es una propiedad de un conductor en un tramo específico, con una tensión específica y en una exposición específica. Hay cuatro variables que son determinantes, y solo algunas de ellas se pueden ajustar una vez que se ha fijado la ruta.
| Variable | Cómo aumenta el riesgo | ¿Se puede ajustar en la etapa de especificación? |
|---|---|---|
| Tensión diaria en relación con el peso del conductor | Una mayor tensión aumenta las frecuencias naturales y endurece la cuerda, lo que reduce la amplitud pero aumenta considerablemente la deformación por flexión en la abrazadera para un movimiento dado. Los tramos con baja tensión vibran con mayor amplitud; los tramos con alta tensión fallan más rápido con la misma amplitud. | En parte. Se determina por la flecha y el espacio libre, por lo que sigue el perfil en lugar de elegirse libremente. |
| Longitud del tramo y exposición del terreno | Los tramos largos sobre terreno abierto, agua o la desembocadura de un valle presentan vientos más suaves y laminares, y tienen frecuencias naturales más bajas; ambos factores favorecen el efecto de bloqueo. Los tramos cortos dentro de una ciudad o un bosque están en gran medida protegidos. | Sí, en la etapa de trazado de la ruta: identificación de torres, reducción del vano o una estructura más alta en un cruce expuesto. |
| Ángulo del viento con respecto a la línea | Es más fuerte cuando el viento sopla aproximadamente en perpendicular al conductor. Los vientos que se encuentran dentro de un ángulo de aproximadamente treinta grados respecto al eje de la línea se deslizan a lo largo del conductor en lugar de atravesarlo y producen poca excitación transversal. | No, una vez construida. Es importante verificar qué tramos se cruzan con el viento dominante. |
| Diámetro y superficie del conductor | Los diámetros pequeños vibran a alta frecuencia y constituyen el caso clásico. Los conductores agrupados de gran tamaño son menos propensos a la vibración eólica, pero provocan oscilaciones entre tramos entre los espaciadores. | No. Pero determina qué hardware es el adecuado. |
Por lo tanto, la protección se determina por grupo de tramos, no por proyecto. Una línea que atraviesa tierras de cultivo y luego cruza un estuario abierto no requiere el mismo tratamiento en ambos tramos, y utilizar un solo tipo de amortiguador con un mismo espaciado a lo largo de toda la ruta supone un gasto excesivo en la parte protegida o una protección insuficiente en el cruce. Es habitual solicitar que el presupuesto se desglose por clase de exposición.
Cómo interpretar los síntomas en el campo
La mayoría de los daños causados por vibraciones se detectan por casualidad, durante una parada de operación no relacionada, ya que los síntomas son sutiles y la ubicación es de difícil acceso. Una inspección estructurada se enfoca en un número reducido de aspectos específicos y distingue entre lo que se puede observar sin necesidad de abrir nada y lo que requiere abrir la abrazadera.
| Síntoma | Lo que indica | Cómo confirmar |
|---|---|---|
| Polvo fino de color gris o negro dentro del cuerpo de la abrazadera, sobre el conductor debajo de las varillas o sobre el lecho | Desgaste por fricción entre los hilos o entre el conductor y la abrazadera. Daños por vibración en etapa inicial. | Abre la abrazadera o levanta las varillas de una muestra de estructuras. Toma una fotografía antes de limpiarlas. |
| Barras de armadura desgastadas en su superficie, desplazadas a lo largo del conductor o con extremos rotos | Las varillas están absorbiendo la vibración como se esperaba, pero están limitadas por fatiga, o bien tenían un diámetro incorrecto y se han aflojado. | Mide la posición de la barra según las instrucciones de instalación; verifica que no haya abrazaderas en los extremos ni alambre que la sujete. |
| Superficies de fractura planas y brillantes en los hilos exteriores, justo fuera de la boca de la abrazadera | Fatiga confirmada. La viga está perdiendo capacidad mecánica. | Cuenta los hilos rotos por capa según los criterios de reparación del proyecto, no a ojo. |
| Peso del amortiguador desplazado, abrazadera del amortiguador floja, cable de acero del amortiguador roto | El amortiguador se ha salido de su posición ajustada o se ha desgastado. La protección está ausente, ya sea parcial o totalmente. | Mide la distancia entre la abrazadera y el amortiguador según las instrucciones de instalación. |
| Conductor pulido u oscurecido en una franja situada a poca distancia de la abrazadera | Antinodo de onda estacionaria cerca de la abrazadera. Indica que la posición o el espacio entre los amortiguadores son incorrectos. | Compáralo con los tramos adyacentes; si un tramo se comporta de manera diferente, es indicio de un problema de instalación. |
Dos advertencias. Un tramo puede estar muy fatigado sin que se note nada desde abajo, ya que la zona crítica se encuentra debajo de la abrazadera y las varillas; la inspección reduce la muestra, pero no descarta el problema. Y las varillas de refuerzo no son garantía de protección: distribuyen la presión y resisten el desgaste, pero no eliminan la tensión. El método más amplio se encuentra en inspección de los accesorios de las líneas aéreas; los modos de falla que a menudo se confunden con daños causados por la vibración se encuentran en Causas de fallas en las abrazaderas de suspensión y verificaciones en el terreno.
Las opciones de protección y qué hace realmente cada una
Ningún método detiene el viento. Cada uno de ellos reduce la tensión que llega al conductor o elimina energía del sistema, y esas diferencias son importantes a la hora de elaborar un presupuesto.
Barras de refuerzo y protectores de cable
Las varillas preformadas que se enrollan alrededor del conductor distribuyen la presión de sujeción a lo largo de una distancia mayor, añaden rigidez local para que la deformación por flexión se distribuya a lo largo de la varilla en lugar de concentrarse en la boca de la abrazadera, y absorben el desgaste que, de otro modo, recaería sobre el conductor. Son una medida de distribución de la deformación, no un amortiguador, y solo funcionan si el diámetro de la varilla coincide con el del conductor y la longitud se ajusta al cálculo. Los extremos de las varillas deben terminarse según lo indique el fabricante; de lo contrario, los últimos centímetros quedarán sueltos. Los detalles del ensamblaje se encuentran en el Guía de instalación de la abrazadera de suspensión.
Amortiguadores Stockbridge
Dos masas colocadas en un tramo corto de cable de acero trenzado, sujetas al conductor. Cuando el conductor se mueve, las masas se retrasan y el trenzado se flexiona, disipando energía en forma de calor. Está sintonizado —sus frecuencias de resonancia coinciden con las del tramo que vibra— y la sintonización no sirve de nada si el amortiguador está en el lugar incorrecto. Un amortiguador a una distancia incorrecta puede ser peor que no tener ninguno, ya que puede convertir un modo de alta frecuencia y baja amplitud en un modo de menor frecuencia con mayor amplitud en la abrazadera. La posición se determina a partir del cálculo del proveedor para ese tramo.
Amortiguadores de vibraciones en espiral
Los elementos helicoidales de plástico o metal enrollados sobre el conductor disipan energía mediante la fricción entre la hélice y el conductor, así como entre las espiras adyacentes. Compacto, sin abrazadera separada, común en conductores más pequeños, cables aéreos agrupados con aislamiento y cables ópticos, donde un amortiguador atornillado resulta incómodo o la presión de sujeción permitida es baja. En trabajos con cables agrupados y ópticos, el conjunto de restricciones varía nuevamente; véase accesorios para cables aéreos agrupados y las notas de la ADSS sobre abrazaderas de suspensión para el soporte de cables ADSS.
Cable amortiguador y amortiguadores de bucle
Trozos cortos de conductor o alambre enrollados en la abrazadera, que se usan principalmente en tramos cortos en las salidas de las subestaciones y en puentes de conexión, donde no hay un lugar adecuado para colocar un amortiguador convencional. Son económicos y eficaces en el rango de frecuencias que cubren, pero con frecuencia se instalan sin ningún cálculo previo, por lo que su reputación es mixta.
Separadores y amortiguadores de separación en haces
En los haces, el movimiento dominante no es la vibración eólica de un solo conductor, sino el movimiento relativo de los subconductores entre los espaciadores, además de la oscilación inducida por la estela. Los espaciadores mantienen la geometría del haz; los amortiguadores de los espaciadores añaden disipación. Ninguno de los dos sustituye a la protección a nivel del conductor en la abrazadera, y un haz bien espaciado con abrazaderas de suspensión sin recubrimiento sigue estando expuesto.
Reducir la tensión cotidiana y tomar medidas
Una menor tensión diaria reduce las frecuencias naturales y disminuye la amplitud de la deformación en el punto de sujeción. Esto implica una mayor flecha, y la flecha afecta la altura de la torre o el espacio libre; por lo tanto, es una decisión que debe tomarse en la etapa de diseño y no mediante una modificación posterior. Cuando el problema se presenta en un solo tramo, las opciones viables son de carácter estructural: instalar una torre intermedia, cambiar el punto de cruce o aceptar una inspección anual.
| Artículo de protección | Mecanismo | Ideal para | Error común en las especificaciones |
|---|---|---|---|
| Barras de refuerzo / protectores de línea | Distribuye la presión de sujeción y la deformación por flexión a lo largo de la varilla; superficie de desgaste sacrificial | Abrazaderas de suspensión y de tensión en conductores en los que la ranura puede dañar los hilos | Barras ordenadas únicamente por longitud, sin indicar el diámetro del conductor ni el tipo de terminación |
| Amortiguador Stockbridge | Masa sintonizada en un cable de acero flexible; disipa energía en una banda de frecuencias | Tramos de longitud media y larga en terreno expuesto, con conductor aéreo sin recubrimiento | La posición y la cantidad no se han tomado de una hoja de cálculo por tramos |
| Amortiguador de vibraciones en espiral | Fricción entre la hélice y el conductor; sin abrazadera atornillada | Conductores pequeños, ABC, cable óptico, presión de sujeción mínima permitida | Seleccionado únicamente en función del diámetro del conductor, sin datos sobre la velocidad del viento ni la luz |
| Cable amortiguador / bucle | Masa añadida y amortiguación local en el extremo | Tramos cortos, salidas de subestaciones, puentes | Se convirtió en un hábito sin pensarlo y sin llevar registro |
| Espaciador / amortiguador espaciador | Almacena la geometría del haz; la versión con amortiguador agrega disipación entre los subconductores | Conductores agrupados, control de oscilaciones en subtramos | Se utiliza como sustituto de la protección del conductor en la abrazadera |
Cómo elegir un amortiguador: lo que debe incluir la especificación
No se puede responder adecuadamente a una consulta que diga “Amortiguadores Stockbridge, cantidad: 400 juegos”, ya que los dos factores que determinan si el equipo funciona —la sintonización y la posición— dependen de datos que el proveedor no tiene. Una consulta útil debe incluir lo siguiente, y un proveedor que no los solicite estará adivinando.
- Datos del conductor: designación, diámetro nominal y real, trenzado, masa por unidad de longitud, carga de ruptura calculada. El diámetro por sí solo no es suficiente para una abrazadera de amortiguador; la ranura debe coincidir con la capa exterior.
- Datos de Span: longitud representativa, máxima y mínima, y el número de tramos en cada grupo de exposición. La cantidad por tramo se calcula a partir de estos datos, no a partir de una tasa por kilómetro.
- Tensión, flecha y viento: la tensión cotidiana o la tensión de flacidez de la mesa de encordado, el rango de temperaturas de diseño, la velocidad del viento de diseño y la dirección predominante con respecto a la línea.
- Apego y entorno: la longitud del cable de suspensión, el modelo de abrazadera, si las varillas de refuerzo forman parte del conjunto (el amortiguador se ubica en el exterior de las varillas, por lo que ambos deben dimensionarse conjuntamente) y si el sitio es costero, industrial o de ambiente limpio, ya que el cuerpo del amortiguador, el perno de la abrazadera y el cable de acero son las partes que fallan primero en ambientes agresivos.
- Documentación: una hoja de instalación por tramo que indique la distancia desde la abrazadera y la cantidad, además de los informes de pruebas de fatiga que requiera el proyecto. Pide que estos documentos se incluyan como parte de los entregables del pedido, no como un favor posterior al mismo.
El costo de cometer un error en esto es asimétrico. Un juego de amortiguadores representa una pequeña fracción del costo de la línea; en cambio, el recableado de quince tramos no lo es. El marco general para una consulta adecuada se encuentra en Cómo especificar los accesorios para líneas aéreas en una solicitud de cotización, y se aplica tanto a los componentes antivibratorios como a las abrazaderas.
Posición y espaciado de la instalación: por qué el número resulta de un cálculo
La vibración produce una onda estacionaria con nudos en puntos fijos. Un amortiguador funciona al ubicarse cerca de un nudo, donde el movimiento del conductor es mínimo, pero donde se puede excitar la propia respuesta del amortiguador; la distancia es una fracción de la longitud de onda del modo que se está controlando, y varía entre el primer, segundo y tercer modo. Es por eso que la posición no puede ser una dimensión estándar que se aplique a todas las líneas, y por lo que es probable que dos proveedores que indiquen el mismo desplazamiento para conductores diferentes estén ambos equivocados en el caso de uno de ellos.
Las reglas que se deben seguir son de procedimiento. Mide desde el punto de referencia indicado en las hojas de instrucciones —el centro de la abrazadera o el extremo del juego de varillas— y no desde cualquier borde que te resulte conveniente, y marca la posición antes de la instalación para que el equipo pueda verificarla después de que se cierre la abrazadera. Mantenga constante la orientación de los pernos de la abrazadera del amortiguador, ya que si la cabeza de un perno hace contacto con el conductor, esto genera problemas de desgaste y efecto corona. Nunca cuelgue herramientas de un amortiguador: el cordón de acero es el elemento sintonizado. Cuando sea necesario mover un amortiguador, inspeccione el conductor debajo de la posición anterior. En los ensamblajes tensados, se aplica la misma lógica en el otro extremo del tramo; consulte el Guía de instalación de la abrazadera de tensión.
El recuento por tramo requiere la misma rigurosidad. Es habitual que haya varios amortiguadores en tramos largos y su espaciado forma parte del cálculo; un solo amortiguador donde el plano indica que deben haber dos deja el tramo medio protegido, y la falla se presenta en la abrazadera que se omitió.
Recepción, almacenamiento y el registro de entrega
Los componentes antivibratorios se dañan fácilmente antes de su instalación: los hilos de los amortiguadores se retuercen si se deja caer una caja de cartón; las varillas preformadas se deforman bajo un palé; y los amortiguadores en espiral adquieren una deformación permanente si se enrollan con demasiada tensión. La inspección de recepción debe revisar el elemento sintonizado, no solo las piezas fundidas —los hilos en busca de torceduras y alambres rotos, la masa en busca de movimiento, la ranura de la abrazadera para verificar que tenga la marca del tamaño correcto del conductor, el acabado en busca de daños por transporte—, tal como se establece en inspección de entrada de los componentes de la línea. En ese caso, el registro de entrega cobra mayor importancia de lo habitual, ya que la protección es invisible durante el funcionamiento: por estructura y fase, el modelo del amortiguador, la distancia medida, el número instalado, la longitud de la varilla y la fecha.
Inspecciones a lo largo de la vida útil
El daño se acumula durante las temporadas de viento moderado constante, por lo que la primera inspección significativa debe realizarse después de la primera temporada completa de viento, y no en el momento de la puesta en servicio. Un programa viable debe abarcar la zona de la boca de la abrazadera en una muestra de estructuras, la posición y el estado de cada amortiguador, y los extremos de las varillas. Una inspección desde el suelo con binoculares permite detectar amortiguadores desplazados y cordones rotos en la capa inferior; un cubeta o un dron permite detectar polvo, desgaste y caras de fractura planas. Abrir la abrazadera en una pequeña muestra es la única forma de ver el conductor debajo del lecho.
Los criterios de reemplazo se derivan de las especificaciones del proyecto y de las normas de reparación de conductores. La línea de actuación puede resumirse de la siguiente manera: si el número de hilos externos rotos supera el límite permitido, se debe realizar una reparación o un reemplazo; si un amortiguador se ha deslizado, se debe volver a colocarlo en su lugar e inspeccionar el conductor expuesto; y si varios tramos presentan el mismo síntoma en el mismo tipo de abrazadera, es necesario recalcular el esquema de protección. El comportamiento de sujeción y deslizamiento de la abrazadera en sí, que a menudo se confunde con el daño por vibración, se mide por separado; véase Prueba de resistencia de sujeción y deslizamiento de abrazaderas de suspensión.
Preguntas frecuentes
¿Cómo sé si una línea necesita protección contra vibraciones?
Se trata de un cálculo, no de una decisión subjetiva. Los datos de entrada son el diámetro y la masa del conductor, la tensión habitual, las longitudes de los tramos, la exposición del terreno y la velocidad del viento de diseño; el resultado indica si el tramo se encuentra en un régimen en el que la vibración eólica produce una deformación dañina en la abrazadera. Pide al proveedor o al instituto de diseño que realice el cálculo por grupo de tramos y que especifique el conjunto de supuestos. Los tramos expuestos sobre terreno abierto o agua, y aquellos que operan cerca de la tensión de diseño, son los que deben revisarse primero.
¿Se pueden instalar amortiguadores en una línea que ya está energizada?
Esto se realiza utilizando técnicas de trabajo en línea viva o mediante una interrupción programada del servicio, y se trata de una decisión relacionada con la seguridad y los costos, más que de una decisión técnica. Hay dos aspectos técnicos que deben tenerse en cuenta. El conductor que se encuentra debajo de la nueva posición debe inspeccionarse antes de instalar el amortiguador, ya que esa zona ha estado desprotegida. Y una modernización es el momento ideal para determinar la cantidad y el espaciado basándose en un cálculo, en lugar de repetir lo que tenga el tramo adyacente.
¿Las barras de refuerzo por sí solas detienen la vibración eólica?
No. Reducen la tensión de flexión que llega al conductor y lo protegen del desgaste y de la presión de sujeción, por lo que se instalan prácticamente en todas partes, pero no eliminan energía del sistema. Un tramo con tirantes y sin amortiguador aún puede sufrir fatiga —aunque más lentamente y a lo largo de una distancia mayor—. Los tirantes y los amortiguadores resuelven dos aspectos distintos del problema.
¿Por qué a veces parece que los amortiguadores empeoran la vibración?
Casi siempre se trata de la ubicación o la cantidad. Un amortiguador colocado lejos de su ubicación prevista puede hacer que el tramo pase a un modo de menor frecuencia con mayor amplitud en la abrazadera, y un solo amortiguador en un tramo que requería dos deja una zona desprotegida. Un amortiguador con un cable de acero roto, o uno cuya abrazadera se haya deslizado, se comporta de la misma manera. Antes de culpar al equipo, compara lo que está instalado con la hoja de instalación.
La protección contra las vibraciones es barata, poco atractiva y fácil de posponer, y es precisamente por eso que se pospone. La decisión que protege una línea se toma en la etapa de consulta, mientras aún se están recopilando los datos sobre los conductores y los tramos. Los compradores que especifican por grupo de exposición, insisten en una hoja de instalación con distancias medidas y registran lo que se instaló, obtienen tramos que duran más de una década. Aquellos que compran amortiguadores por juego y los instalan a ojo se dan cuenta del problema al llegar a la boca de la abrazadera. Para conocer los ensamblajes en los que se montan estos componentes, consulta el proveedor de abrazaderas de suspensión página.
