3 métodos de instalación de cables que afectan el cálculo de la tensión
Descubra cómo los métodos modernos de instalación de cables —HDD, empuje y flotación— afectan los cálculos de tensión e influyen en el diseño de un cable seguro y eficiente.
El uso de ecuaciones de tensión del cable es una parte clave en la fase de planificación de la instalación del cable. Analiza y predice el comportamiento del cable para determinar la viabilidad de la instalación. Una predicción precisa de la tensión del cable es esencial para proteger la integridad del cable, mejorar la seguridad de los trabajadores, reducir los costos del proyecto y garantizar el desempeño óptimo del cable durante su vida útil. Además, los cálculos precisos pueden facilitar las distancias de instalación más largas que permiten mayor eficiencia en la mano de obra y menos juntas. Las ecuaciones tradicionales siguen siendo la norma de la industria para los cálculos, pero los métodos de instalación más nuevos introducen variables que requieren ajustes en estos modelos. Comprender cómo afecta a la tensión cada método garantiza un desempeño confiable y reduce los riesgos de instalación.
“El conocimiento de la tensión de tracción no solo es esencial para planificar la colocación real, sino también para evaluar la idoneidad del diseño del cable, el diseño de ruta y las metodologías de colocación”. (CIGRE TB 889)
Ecuaciones comprobadas de tensión del cable que se utilizan en la instalación de modelado
La mayoría de las guías de instalación de cables y herramientas de planificación de software utilizan ecuaciones desarrolladas a mediados del siglo XX. Estas ecuaciones calculan la fuerza de gravedad y la física a medida que se tira del cable alrededor de una curvatura. Este enfoque de cálculo está enraizado en la historia, tiene bases sólidas y ha formado una parte integral del diseño del cable en el conducto durante más de 75 años. Las ecuaciones desarrolladas por primera vez por F. H. Buller (1949) y luego ampliadas por R. C. Rifenburg (1953) describen cables tirados a través de ductos inclinados, curvaturas horizontales, así como curvaturas verticales cóncavas y convexas. Estas ecuaciones de “Rifenburg” miden la fuerza en función del ángulo de entrada del cable en la curvatura, así como la presencia (o ausencia) de fuerza gravitacional entre el cable y el conducto. El software Polywater Pull-Planner® se basa en estas ecuaciones estándar.
Estas ecuaciones son complejas, por lo que los ingenieros hoy en día utilizan software basado en cálculos u hojas de cálculo especializadas para gestionar sus cálculos de tensión. Algunas empresas utilizan aproximaciones en lugar de la fórmula compleja. Esto proviene de una era en la que este trabajo se realizó a mano. Predecir la tensión del cable permite realizar instalaciones más seguras que no superen la tensión máxima del cable. Las buenas metodologías de planificación y predicción no solo protegen el cable del exceso de tensión, sino que también aumentan la seguridad de los trabajadores y maximizan la longevidad del cable al reducir la tensión y requerir menos empalmes o juntas.
El papel de Polywater en la fricción y gestión de la fricción de los cables
La medición de la fricción de los cables, pionera en Polywater, apoya la predicción precisa de la tensión del cable. Polywater ha estado midiendo el coeficiente de fricción (COF) y trabajando con la lubricación de cables en el campo durante más de 50 años. Aprovechar este conocimiento ha permitido una mejor comprensión de los factores que influyen en la tensión para poder planificarlos mejor. A medida que la industria cambia los métodos de diseño e instalación de cables, los métodos de prueba deben reflejar estos cambios. Las instalaciones de cables largos que son el sello distintivo de las instalaciones subterráneas eran mucho menos comunes cuando se desarrollaron las ecuaciones de Rifenberg y cuando Polywater comenzó a desarrollar medidas de fricción por primera vez. Hoy en día, Polywater está trabajando activamente con fabricantes e instaladores de cables para adaptar los métodos de prueba de fricción para reflejar con mayor precisión las realidades que se encuentran en el campo.
| Más detalles: Software de planificación de instalación de cables Polywater Pull-Planner |
Técnicas modernas de instalación de cables y su impacto en la tensión
La mayoría de los cables se instalan en el ducto con un cabrestante. Suele haber una orejeta de tracción unida al extremo del cable y a su conductor. Se inserta un eslabón giratorio entre el extremo delantero del cable y la soga de tirado para evitar fuerzas de torsión sobre el cable. Los métodos y el diseño tradicionales de instalación se han ampliado con técnicas más nuevas: los tramos de conducto largos perforados direccionalmente, el empuje del cable y la flotación del cable en un ducto lleno de agua son tres ejemplos. Estas tecnologías afectan las ecuaciones que se utilizan para predecir la tensión. Hay consideraciones de tensión y física del cable para estos tipos de diseño que se diferencian de las prácticas históricas.
Consideraciones de tensión para secciones curvas largas (curvaturas de radio grande)
Las ecuaciones de curvatura de Rifenburg suponen que el cable se «tira» al interior de la curvatura. Cuando se tira un cable en largas longitudes de ductos curvos típicos de instalaciones de HDD (perforación horizontal), el peso del cable en la curvatura también aumenta. En este caso, la fuerza gravitacional supera el componente vertical de la fuerza de tracción. El cable ya no corre contra el interior de la curvatura, sino que cae al fondo del conducto. Las ecuaciones convencionales ya no se aplican. La curvatura de radio grande actúa más parecido a una sección recta inclinada del ducto.
En el Polywater Pull-Planner, las secciones rectas del recorrido del cable están separadas de las curvas inminentes porque el coeficiente de fricción actúa como un complemento para las secciones rectas, pero se convierte en un multiplicador en las curvas. La recomendación de planificación actualizada es tratar esta sección como una sección recta inclinada utilizando una pequeña curvatura horizontal para tener en cuenta la longitud del conducto que es un poco más larga. En este caso, la tensión lateral es mínima y se puede descuidar. El uso de este enfoque proporciona una mejor aproximación de las realidades de campo y, por lo tanto, de la tensión de cable esperada.
Las secciones largas y curvadas requieren ecuaciones de pendiente modificadas para aproximar mejor la tensión del cable durante la instalación.
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Empuje del cable: Riesgos de tensión y flexión
Los empujadores de cables se desarrollaron en la década de 1990 para lograr longitudes de instalación más largas. A voltajes de transmisión más altos, la fiabilidad del sistema es fundamental. Reducir la cantidad de juntas es importante. Además, los cables de transmisión suelen tener conductores de gran diámetro y son más rígidos por este diseño. Pueden utilizarse empujadores para este tipo de instalación y siguen siendo populares como método de instalación.
Las ecuaciones estándar de tensión del cable todavía se aplican durante el empuje del cable. En este caso, la tensión entrante que se utiliza en el cálculo es negativa. La tensión negativa se traslada a cada segmento. En las pruebas realizadas por el EPRI (Instituto de Investigación de Energía Eléctrica), los cables probados no se dañaron por el proceso de empuje. La principal limitación de este método de instalación es el pandeo del cable.
Cuando los cables experimenten un exceso de tensión de empuje, se doblan o curvan dentro de las redes de ductos. Se crea una forma ondulada, en espiral contra la pared del conducto, o se acumula en una pila. En este caso, la fuerza de empuje ya no se transfiere al extremo más alejado del cable. En su lugar, la fuerza comprime aún más el cable creando eficazmente un tapón en el conducto. Las fuerzas de empuje del cable no deben exceder la fuerza de pandeo del cable. Comprender la física del pandeo del cable se vuelve fundamental para que una instalación se realice correctamente.
Fuerza de pandeo crítica
La fuerza de pandeo crítica se basa en la fórmula de Eulers y el módulo de elasticidad del cable. En otras palabras, es importante conocer el factor de «rigidez» del cable. Generalmente, este factor se ve afectado por el tipo de metal conductor, el diseño de trenzado y el tamaño del cable. Existen fórmulas predictivas basadas tanto en el cálculo como en el diseño experimental.
La clave para un empuje eficaz del cable es mantener la fuerza por debajo de la fuerza de pandeo crítica. La fuerza de empuje aumenta con una mayor fricción entre el cable y la pared del conducto. El uso de lubricantes para cables aumenta la eficacia del empuje del cable porque reduce la probabilidad de que se pandee el cable.
Al diseñar una ruta con empuje del cable, se debe calcular la fuerza de pandeo del cable.
Cable flotante en ducto lleno de agua: Flotabilidad vs. arrastre
A veces, se añade agua dulce o agua salada (mar) al conducto para añadir flotabilidad y reducir eficazmente el peso del cable. La reducción del peso del cable es una buena forma de reducir la tensión de tracción porque reduce la fuerza normal sobre el cable. Es importante que las redes de ductos estén adecuadamente selladas para que no haya fugas de agua. También es posible llenar solo una parte de las redes de ductos para hacer flotar el cable a través de las secciones más difíciles de la tracción.
Aún hay una consideración de la fricción durante este tipo de instalación. Los lubricantes para cables pueden aumentar el desempeño, ya que el cable todavía entra en contacto con la superficie del conducto. Al planificar este tipo de instalación, hay que considerar la resistencia al agua (resistencia a la fricción). Otra incógnita es la fuerza del desplazamiento del agua. Los efectos de la resistencia al agua y el desplazamiento del agua son complejos de calcular. A menudo se usa un COF conservador como factor de seguridad en estas instalaciones. La experiencia práctica ha demostrado que este es un estilo de instalación eficaz, en especial para la instalación de cables largos y difíciles.
El tirado a través del agua puede reducir el peso del cable a través del factor de flotabilidad. La resistencia al agua y la fuerza de desplazamiento son factores negativos que deben considerarse durante la planificación de la tensión para este tipo de instalación.
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Adaptación de modelos de tensión para instalaciones modernas
Una buena comprensión del COF así como de la física del diseño son aspectos importantes de la planificación de las instalaciones de cables. Al reconocer que los métodos de instalación modernos como las curvas de gran radio, el empuje de cables y la flotación de agua presentan todas las variables únicas que deben tenerse en cuenta en los cálculos de tensión, Polywater sigue investigando formas de reducir la fricción en estas áreas y adaptar esos datos a las actualizaciones del software Pull-Planner. Además, los usuarios pueden medir y registrar la tensión final de las instalaciones de cables en el campo, introducirlos en el software Polywater Pull-Planner y calcular nuevamente el COF de campo. Esto puede proporcionar datos de tensión más prácticos para futuras instalaciones que utilicen métodos y materiales similares. El cálculo inverso del COF también puede ser una forma eficiente de tener en cuenta estas variables sin necesidad de calcularlas a nivel individual, creando así cálculos de tensión de cable futuros más precisos.
Bibliografía y línea de tiempo seleccionadas
1943 Pulling Tension During Cable Installation in Ducts or Pipes, F. H. Buller
1953 Pipe-Line Design for Pipe-Type Feeders, R. C. Rifenburg presentado al AIEE Insulated Conductor Committee
1983 EL-3333 Maximum Safe Pulling Lengths for Solid Dielectric Insulated Cables, publicado por EPRI
1984 Coefficient of Friction Measurement Between Cable and Conduit Surfaces Under Varying Normal Loads, G Weitz, presentación de Polywater en la Transmission & Distribution Conference.
1991 A New Cable Pulling Friction Measurement Method and Results, J.M. Fee
1996 TR-106500 Cable Pushing and Calculation of Pulling Tensions for Distribution and Transmission Cables, publicado por EPRI
1999 A Study of Tension and Jamming When Puling Cable Around Bends, J.M. Fee
2001 CIGRE TB 194 Construction, Laying and Installation Techniques for Extruded and Self Contained Fluid Filled Cable Systems
2022 CIGRE TB 889 Installation of Underground HV Cable Systems