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Implantación del diseñoasistido por computadora parala localización de estructuras delíneas de transmisiónMiguel Vega OrtizGustavo Gutiérrez Arriola

El proceso de diseño de unalínea de transmisión implicauna gran cantidad decálculos, a partir de lainformación de entrada, paraverificar el diseño segúncriterios establecidos, queconsisten en combinacionesde condiciones ambientalespor donde va a cruzar lalínea, con estados de lasestructuras y de losconductores que representanlas deformaciones a lo largode su vida útil.

Resumen

Para que las herramientas dediseño asistido porcomputadora que se ofrecen

en el mercado sean realmente útilesdeben conjuntar los criterios yexperiencias de los diseñadoresexpertos con las especificaciones yprácticas establecidas en la empresaeléctrica. Esto incluye desde laintroducción al sistema de lainformación de datos de entrada dela que se dispone y de sus criteriosde diseño hasta la obtención de lainformación de salida que serequiere. En el presente trabajo seresume la metodología desarrolladapor el Instituto de InvestigacionesEléctricas (IIE) en el diseño delíneas de transmisión, que integralos requerimientos de la ComisiónFederal de Electricidad (CFE) en eldiseño de sus líneas de transmisiónen una herramienta de cómputoavanzada y que redunda en la

obtención de mejores diseños.Algunos de los aspectos másimportantes son la reducción deltiempo de trabajo empleado, elcosto de la línea diseñada, suconfiabilidad, la flexibilidad en elmanejo de la información y lacalidad de presentación.

IntroducciónEl proceso de diseño de una línea detransmisión implica una grancantidad de cálculos, a partir de lainformación de entrada, paraverificar el diseño según criteriosestablecidos, que consisten encombinaciones de condicionesambientales por donde va a cruzarla línea, con estados de lasestructuras y de los conductores querepresentan las deformaciones a lolargo de su vida útil.

La información incluye ellevantamiento topográfico con susobstáculos y accidentes,libramientos reglamentarios que se

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Con el fin de evaluar laconfiabilidad del diseñoasistido por computadora, laCFE encargó al IIE el diseñode la línea Zimapán–Dañú de230 kV, actualmente enoperación.

deben respetar, parámetros de loscables, tipos y tamaños de lasestructuras y los criterios de diseño.El usuario diseña la línea detransmisión, ya sea por los métodosmanuales tradicionales, utilizandoplantillas y alguna herramienta decálculo y dibujo, o en un ambientede cómputo, por medio de unainterfaz gráfica interactiva, con laque puede obtener el modelado delterreno, alineación, localización deestructuras, cálculos de ingeniería,generación de planos, listas demateriales, reportes de diseño ycostos. El diseño asistido porcomputadora auxilia al diseñador delíneas de transmisión en el manejode esta gran cantidad deinformación y en los cálculos que seincrementan según la longitud de lalínea y complejidad en accidentes uobstáculos del terreno, así como enla ejecución de numerosos cálculosde ingeniería que se ejecutan conmayor facilidad y en un tiempoinsignificante (cálculo de flechas ytensiones, claros, catenarias,esfuerzos, la localización deestructuras, tipos y tamaños de lasmismas, libramientos, etcétera) todoesto bajo los criterios de diseñoestablecidos. Finalmente, elresultado del diseño de la línea debeser presentado en reportes técnicosgráficos y texto comprensible, listasde partes con costos desglosados ydibujos detallados.

AntecedentesCon el fin de evaluar laconfiabilidad del diseño asistido porcomputadora, la CFE encargó al IIEel diseño de la línea Zimapán–Dañúde 230 kV, actualmente enoperación. Aunque se trata de unalínea en operación, el propósito dereproducir el diseño mediante estemétodo fue la de comparar losresultados que se obtienen con el

método tradicional y elcomputarizado. Con propósitos decomparación se reprodujo en elambiente de cómputo el perfiltopográfico de la línea y seestablecieron los criterios de diseñopara dos proyectos, unodenominado diseño actual, en elcual se localizaron sobre el perfil lasestructuras tal y como se encuentranen operación; y un segundo diseño,denominado interactivo, donde seutilizaron los mismos datostopográficos y criterios, pero seusaron las herramientas para lalocalización automática e interactivade estructuras. Para los dos diseñosse obtuvieron los mismos reportes,planos, listas de materiales y costosde comparación.

La línea de transmisiónZimapán–Dañú cruza una regiónmontañosa entre los límites de losestados de Hidalgo y Querétaro,donde se han registradotemperaturas que van desde –5oCmínima, a una máxima de 45oC, conpromedio de 20oC y vientos de hasta120 km/h. En general, los criteriosde diseño se establecieron según(López, A. et al., 1995) basados enASCE (ASCE Manuals and reportsof engineering practice, 1974). LaCFE entregó los planos topográficosdel perfil, planta y proyecto en susformatos comúnmente utilizados delos 85 kilómetros de longitud,aproximadamente. Debido a que elsoftware de diseño PLS-CADD(versión 4, 1998) no cuenta con un

método eficiente para cargar losdatos topográficos presentados deesta manera, el IIE diseñó unmétodo para cargarlos. Además deesto, se integraron los parámetrosde los cables, estructuras (datosgeométricos, esfuerzos y costos) ycriterios de diseño.

Resumen de la metodologíaEn forma resumida, la metodologíade diseño implantada se componede los siguientes pasos:1. Introducción de los datos delterreno.2. Introducción de datos deconductores, estructuras y criteriosde diseño.3. Diseño de la línea (localizaciónde estructuras).4. Generación de reportes y planos.

Introducción de los datos delterreno• La captura de datos del terreno serealiza en un software gráficoAutoCAD (AutoCAD User‘s Guide).Aunque el proceso de captura puedellevarse a cabo por diversos mediosque van desde modernos procesostopográficos por fotografía aérea, opor algún otro método avanzado deque disponga el ingeniero topógrafo,el presente procedimiento utiliza lacaptura de datos a partir de los planosde perfil y planta tradicionalmenteutilizados por la CFE, utilizando elsoftware gráfico AutoCAD y unatarjeta digitalizadora. Debido a laforma en que son registrados losdatos en el archivo gráfico deAutoCAD se deben seguir variasreglas para la captura de datos, con elfin de que puedan ser interpretadoscorrectamente por el software dediseño. Se adoptaron una serie decódigos para los obstáculos (comoárboles, carreteras, ríos, líneas detransmisión que cruzan, etcétera), quese utilizarán para verificar los

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La línea de transmisiónZimapán–Dañú cruza unaregión montañosa entre loslímites de los estados deHidalgo y Querétaro, dondese han registradotemperaturas que van desde–5oC mínima, a una máxima de45oC, con promedio de 20oC yvientos de hasta 120 km/h.

libramientos horizontales y verticales.• Conversión del archivo gráfico(formato DXF) al formato delsoftware de diseño por medio delprograma: Traduce (IIE, 1999), quetoma en cuenta los códigos de losobstáculos y deja el archivo listo paraser leído por el software de diseño.• Edición de los datos del terreno enel software de diseño. El archivocon el que se trabaja requiere dedatos adicionales como alineaciónde la línea de transmisión (puntosde inflexión) y otros datos que sonel señalamiento de “áreasprohibidas” en sitios donde no sepueden ubicar estructuras y la“localización forzosa” de unaestructura en cierto punto yapredeterminado.

Introducción de datos deconductores, estructuras ycriterios de diseñoEstos datos pueden ser comunespara muchos proyectos, de maneraque una vez cargados puedenutilizarse en otras líneas. Para losconductores, los parámetrosespecíficos de cada conductor e hilode guarda se tomaron de A. Peyrot.Los datos de las estructuras setomaron del Catálogo deestructuras de la CFE. Los criteriosde diseño incluyen las condicionesambientales de diseño de la regiónpor la que atravesará la línea(temperaturas, viento y hielo) que secombinan con las condiciones delconductor a lo largo de su vida útil(inicial, después de “creep” ydespués de carga). Para lasestructuras se incluye el efecto decorrección por presión de viento poraltura. Los criterios de diseño sontomados o calculados a partir de lanormatividad existente (López, A. etal., 1995; CFE-DDLT 9501; ASCEManuals) y de las recomendacionesde los diseñadores expertos.

Diseño de la líneaEn el software de diseño, lalocalización de estructuras de lalínea puede ser llevada a cabo pordos métodos que puedencomplementarse uno a otro: eldiseño interactivo y el uso delOptimizador.

En el diseño interactivo eldiseñador localiza las estructurassegún su criterio, pero con la ayudade las herramientas gráficas deinserción y corrimiento deestructuras; después de lalocalización se realiza el tendido decable con tensión y visualizacióninstantánea de la catenariaresultante, aprovechando en generallas múltiples facilidades de cálculoy verificación de cumplimiento conlos criterios especificados o laindicación de en qué punto no secumplen. El diseño interactivo lepermite al diseñador, mediante unclic, insertar, borrar o moverestructuras, aumentar o disminuirsus alturas, aumentar o disminuirtensiones, visualizar catenarias,cambiar tipo de conductor, aumentaro disminuir las distancias entreconductores y la línea de tierra olibramientos de obstáculos, y revisary manejar las listas de materialescon sus costos, etcétera.

Con la ayuda delOptimizador se localizan lasestructuras y el tendido de cable de

manera semiautomática. Estemétodo requiere los mismos datosque el anteriores, pero además sedebe indicar el tipo de estructurasfactibles a utilizar con sus costos,tipo de conductor, claro regla yotros datos. Este proceso se deberácorrer varias veces para afinarlo,además de que es importante quesea revisado y modificado por elingeniero. En general, el diseñoproporcionado por el Optimizadorno es el mejor diseño, ni el máseconómico, pero al menos es unabuena guía que puede aprovechar eldiseñador para realizar su trabajo.

Generación de reportes yplanosEl paquete puede generar una grancantidad de reportes técnicosresultado de los cálculos. Dentro delos reportes se indican lasprincipales variables si cumple conla condición de diseño (ok), nocumple (NG), o se encuentra muycerca de los límites (se señala consignos de interrogación ??).Proporciona resúmenes para eldiseñador o constructor con lalocalización de estructuras, tipos ycostos, longitudes de conductor,tensiones y flechas a diversastemperaturas y condiciones delconductor, esfuerzos, etcétera. Losdibujos pueden graficarse dentro delpaquete de software de diseño entamaño carta o mayor, sin embargopara presentarse en la maneracomúnmente utilizada por CFE setransportaron al software gráfico,donde se les dio el toque final decalidad, en el formato normalizadode la empresa eléctrica.

Detalles sobre lapreparación de datos delterrenoLos datos presentados en los planosde perfil y planta de la CFE deben

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ser presentados al software dediseño en un archivo, con los datosorganizados como se muestran en elcuadro 1. En el método propuesto,la captura de información se lleva acabo por medio de la digitalizacióndel perfil, utilizando una tabletadigitalizadora y el software gráfico.Esto se puede modificar según elresultado del método topográfico,además de que los datos puedancanalizarse de una manera másdirecta y precisa.

Para describir el punto seutilizan los campos de Descripcióno número de punto (Des.); Estación,que es la distancia al punto de inicioo de referencia; Offset, que es parapuntos o accidentes que no seencuentran en el centro de la línea yrepresenta la distancia al centro dela línea; Elevación (metros sobre elnivel del mar, msnm); Altura delobstáculo sobre tierra utilizada, porejemplo para postes, árboles olíneas de transmisión; el ángulo paralos puntos inflexión; Código de lacaracterística, que representa el tipode obstáculo y que será utilizadoposteriormente para verificar loslibramientos horizontal y verticalque se deben respetar; Nombre del

punto y comentarios que puedendesplegarse en los planos de perfil yplanta.

Teniendo en cuenta lapresentación de datos del archivorequerido se diseñó el programaTraduce, que permite que los datosobtenidos del software gráficosiguiendo ciertas reglas sencillas seanpresentados según el formatorequerido; por medio de estas reglas,básicamente a cada obstáculo delterreno se va asociando un código decaracterística; para los obstáculosque tienen una altura, como árboleso líneas de transmisión que cruzan,se hace el cálculo de la altura y se

deja este dato en la columnacorrespondiente. En el caso deperfiles laterales, se les asocia sucorrespondiente Offset en cuanto alcentro de la línea.

Otras características que seagregaron en el proceso detraducción son facilitar“igualaciones” tanto en el sentido dedistancia horizontal como en laelevación y la posibilidad denumerar los puntos a partir de unnúmero que asigne el usuario. Estasfacilidades son particularmenteimportantes en los casos dereasignación de rutas o inclusión denuevos planos, que en algún puntodebe coincidir con otro plano.

Diseño de la línea Zimapán-Dañú

Resumen comparativo de losdiseños original e interactivoPartiendo del perfil topográfico dela línea, criterios de diseño, datos delas estructuras y conductores, sereprodujo el diseño original,localizando las estructuras como seencuentran actualmente enoperación. También sobre losmismos datos básicos se hizo un

La metodología de diseñoimplantada se compone de lossiguientes pasos:1. Introducción de los datosdel terreno.2. Introducción de datos deconductores, estructuras ycriterios de diseño.3. Diseño de la línea(localización de estructuras).4. Generación de reportes yplanos.

Cuadro 1Ejemplo de archivo de datos del terreno.

CódigoDes. Estación Off Elevación Altura Ángulo caract. Nombre y comentarios

Set “Z”353 1551.378 -0.0 1928.23 0.0 0.0 200 Punto medido354 1552.678 -0.0 1928.11 0.0 0.0 200 Punto medido355 1552.798 -0.0 1927.97 0.0 0.0 212 P_cerca356 1554.786 -0.0 1927.88 0.0 0.00 501 I_campo de cultivo358 1555.901 -0.0 1927.90 0.0 0.00 501 campo de cultivo361 1559.867 -0.0 1927.86 0.0 0.00 406 P_arroyo intermitente362 1561.887 0.0 1927.87 0.0 0.00 501 campo de cultivo365 1589.245 -0.0 1925.33 0.0 0.00 230 P_árbol367 1589.24 0.0 1925.33 15.0 0.00 230 H_árbolPI4 1595.49 -0.0 1928.33 0. 85.7 202 PI ´PI-4 85º 42 DER´ ´PI-4 N 13º51 17 W

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diseño interactivo demostrativo,localizando las estructuras con laayuda de las herramientas delsoftware de diseño (figura 1), conlos resultados que se resumen en elcuadro 2.

En el cuadro 2 se observaque con el diseño interactivo seobtuvieron tres estructuras menos;se emplean 252 metros adicionalesde conductor y se ahorran 2 395metros de cable de guarda. Ladiferencia global en costo es de$135 211 dólares. Desde el punto devista técnico, se observó una ventajaen el diseño interactivo,principalmente en cuatro seccionesde la línea, en donde, por una mejorlocalización de estructuras, seobtuvo una mejor distribución deesfuerzos mecánicos, ya que en elcaso original se encuentran en unasituación cercana a los límites dediseño.

El diseño de esta línea de 85kilómetros con muchos accidentes enel perfil resultó tener 86 tipos deobstáculos, cuarenta diferentes tiposde torres y se definieron los criteriosde diseño de la CFE (figura 2) yvarios tipos de conductores. Al tenertodos los datos, el trabajo de diseñode la línea se puede hacer en 13semanas-hombre aproximadamente,si se realizan las actividades de formasecuencial. En caso de llevar a caboalgunas actividades en forma paralela,el tiempo puede disminuir. Este lapsoes variable, según la complejidad delínea y de los recursos para ladigitalización y la obtención de losgráficos.

Como se indicóanteriormente, existe la posibilidadde utilizar técnicas modernas para ellevantamiento topográfico y queingresen los datos directamente alpaquete de diseño para evitar ladigitalización.

Tipos de reportes yherramientas devisualizaciónSe pueden obtener los siguientesreportes impresos o ayudas enpantalla:

• Reportes del terreno:- Reporte de puntos de inflexión.- Puntos y obstáculos del terreno.

• Reportes de línea:- Uso de conductor (por secciónindicando porcentaje de tensiónpermisible y tensión real,violaciones, estructura de inicio yfin).- Claros de viento y peso.- Tipo y número de estructuras decada tipo.- Uso de estructura (porcentaje de

Cuadro 2. Resumen comparativo de los diseños original einteractivo.

Diseño original Diseño interactivodemostrativo

Núm. de estructuras 203 200Long. conductor 253 085 m 253 337 mLong. cable de guarda 169 635 m 167 240 mCosto estructuras $ 3 982 300 $ 3 852 300Costo cables $ 3 041 224 $ 3 041 545Partes suspensión $ 821 666 $ 816 134Costo total dólar $ 7 845 190 $ 7 709 979

Con el método propuesto seprobó la reducción en tiempoy costo de los diseños delíneas y la elaboración dediseños más confiables.

Figura 1Pantalla mostrando detalle del diseño de una línea de transmisión.

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esfuerzos y violaciones,restricciones, ángulos de giro,etcétera).- Listas de materiales por estructura.- Coordenadas o localización deestructuras.- Flechas y tensiones por claro.

• Resumen de localización automática.

• Reportes por sección:- Verificación por sección.- Flechas y tensiones por sección.- Libramientos por sección.- Galopeo.- Deformación del conductor(stringing chart) conforme a unrango de temperaturas especificado.(por ejemplo de –5 a 50°C).

• Reportes por estructura:- Cargas.- Lista de partes.

• Visualización interactiva de planos:- Planos detallados de perfil y plantacon el diseño de la línea.

- Zoom, pan y visualización dedetalles o información segúnbotones seleccionables por eldiseñador.- Visualización en tercera dimensión,con posibilidad de girar la imagenpara observarla desde varios ángulos.- Desplegado en línea de distanciasentre dos puntos cualesquiera.- Desplegado en línea de ladistancia de cable a tierra.- Indicación de las estructuras osecciones que no cumplen loscriterios de diseño.- En el plano, una línea se puededesplegar con diferentes colores siuna estructura o sección estácorrecta (ok) o no cumple (NG).

Ventajas de la metodologíaimplantadaEn general se observaron lassiguientes ventajas contra losmétodos manuales:

Se mejora sensiblemente laeficiencia en la velocidad deltrabajo y en la obtención de diseños,

con un margen de seguridad másalto debido a las facilidades decálculo. También hace más atractivoel trabajo del diseñador y le evitagran parte del trabajo rutinario. Seeliminan las plantillas y según seavanza en el proceso de diseño, eldiseñador puede observar cualquiercambio que inmediatamente serefleja en pantalla. Se producendibujos de calidad y listas demateriales y costos de manerarápida.

En la etapa de autorizacióndel proyecto se facilita el estudio eintegración de rutas alternativas odiseños diferentes.

Se obtienen reportes demanera rápida para la revisión yconstrucción, y se tiene granflexibilidad para actualizarinformación de las diversas etapasdel proyecto: diseño, construcción,puesta en operación y ampliacionesfuturas.

Los datos comunes a losproyectos como son datos de cables,estructuras y algunos de los criteriosde diseño se pueden utilizar paraotros proyectos y diseñadores.

Se facilita la verificaciónsegún los criterios de diseñoespecífico (condiciones ambientalesy cable) para cada proyecto.

Es posible adquirir másexperiencia en el diseño de líneas enpoco tiempo.

ConclusionesSe presentó una metodología para el

El procedimiento propuestoliga la topografía en planosde la CFE con la herramientacomputacional de diseño.Sobre ésta se incluyeron yaplicaron los criterios dediseño de la Comisión Federalde Electricidad.

Figura 2Selección de criterios de diseño para una línea de transmisión.

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diseño de líneas de transmisión queconjunta los recursos de unaherramienta de cómputo con losrequerimientos de diseño y lainformación de que dispone laempresa eléctrica. Esto conforma labase de una infraestructura dediseño poderosa, la cual es capaz deenriquecerse y evolucionar.

Si una herramienta decómputo avanzada no es alimentadacon la información adecuada, o nose incorpora dentro de la prácticadel diseño de la empresa eléctricano produce resultados relevantes.

Con el método propuestose probó la reducción en tiempo ycosto de los diseños de líneas y laelaboración de diseños másconfiables.

El procedimientopropuesto liga la topografía enplanos de la CFE con la herramientacomputacional de diseño. Sobre éstase incluyeron y aplicaron loscriterios de diseño de la ComisiónFederal de Electricidad.

Se integraron lasexperiencias de los expertos y loscriterios técnicos y ambientales. Seaplicaron los criterios de diseño(López, A. et al., 1995) basados enlas normas ASCE.

La metodología puedeadecuarse a las necesidades delusuario, como puede ser el caso de laimpresión de planos con un formato

específico con alta calidad enpresentación. Se obtienen reportestécnicos y costos de manera rápida.

ReconocimientoLos autores agradecen al ingenieroLuciano Ruiz Guerrero, experto enel diseño de líneas de transmisión,su cooperación, la cual fue muyimportante para incorporar criteriosde diseño, prácticas y normatividadadoptadas por la CFE para el diseñode líneas en el territorio nacional.

Referencias y bibliografíaASCE Manuals and reports on engineeringpractice núm. 74, Guidelines for electricaltransmission line structural loading.

AutoCAD ® 14 User´s Guide.

Comisión Federal de Electricidad, Catálogode torres de 400, 230 y 115 kV, Coordinaciónde Proyectos de Transmisión yTransformación.

Comisión Federal de Electricidad,Lineamientos generales para proyectos delíneas de transmisión, Coordinación deProyectos de Transmisión y Transformación,CFE-DDLT-9501.

Hernández B., O., E. Neri B., Estructuraspara transmisión de energía eléctrica.Instituto de Investigaciones Eléctricas,Procedimiento para diseño de líneas detransmisión, documento interno de laGerencia de Transmisión y Distribución,enero de 1999.

López, A., C. Muñoz, I. Vilar, E. Neri y V.Guerrero, Unificación de criterios en elcálculo de presiones, flechas y tensiones

para el diseño mecánico de torres detransmisión, informe IIE/42/18/I 02/Femitido para la CFE, abril de 1995.

Peyrot, A., General properties for cablesand conductors, Power Line Systems Inc.

PLS-CADD Versión 4 ® de Power LineSystems Inc., User’s manual, 1998.

Miguel Vega OrtizIngeniero mecánico electricista (1981)egresado de la Universidad Nacional Autónomade México (UNAM), obtuvo el primer lugar en elVI Certamen Nacional de Sistemas de Potencia,con la tesis de licenciatura: Análisis deconfiabilidad de sistemas eléctricos dedistribución. Realizó sus estudios de maestríaen la División de Posgrado de la Facultad deIngeniería de la UNAM. Desde 1981 trabaja enla Gerencia de Transmisión y Distribución delIIE. Es autor de diversos artículos nacionales einternacionales sobre la confiabilidad de lossistemas eléctricos y sobre el diseño de líneasde transmisión.mvega@iie.org.mx

Gustavo Gutiérrez ArriolaIngeniero mecánico electricista (1970) por laUniversidad Nacional Autónoma de México(UNAM), y diploma de posgrado en ingenieríaeléctrica (1973) por la Universidad de Salford,Inglaterra. Realizó una estancia en ellaboratorio italiano CESI en 1986. En 1978ingresó al IIE, y a partir de 1995 trabaja en laGerencia de Transmisión y Distribución. Se hadesempeñado como investigador y jefe deproyecto en proyectos relacionados con elcontrol supervisorio de redes eléctricas,automatización de subestaciones y diseñoauxiliado por computadora de líneas detransmisión. Ha sido invitado como consultor yapoyo técnico de la CFE en diversas reunionesde control y automatización, así como en laespecificación y evaluación de equipo. Haparticipado y publicado artículos y ponenciasen diversos foros. Es miembro de la Sociedadde Ingeniería de Potencia (PES) del IEEE.gga@iie.org.mx