galope del conductor

El galope del conductor es la oscilación de alta amplitud y baja frecuencia de las líneas eléctricas aéreas debido al viento. ^{[ 1 ]} El movimiento de los cables ocurre más comúnmente en el plano vertical, aunque también es posible el movimiento horizontal o rotacional. El modo de frecuencia natural tiende a ser alrededor de 1  Hz, lo que hace que el movimiento periódico, a menudo elegante, también se conozca como danza del conductor . ^{[ 2 ] [ 3 ]} Las oscilaciones pueden exhibir amplitudes superiores a un metro, y el desplazamiento a veces es suficiente para que los conductores de fase infrinjan las distancias de seguridad operativas (acercándose demasiado a otros objetos) y causando descargas disruptivas . ^{[ 4 ]} El movimiento enérgico también aumenta significativamente la tensión de carga en los aisladores y torres eléctricas , aumentando el riesgo de falla mecánica de cualquiera de ellos.

Los mecanismos que inician el galope no siempre están claros, aunque se cree que a menudo se debe a la aerodinámica asimétrica del conductor causada por la acumulación de hielo en un lado del cable. La media luna de hielo incrustado se asemeja a un perfil aerodinámico , alterando el perfil normalmente redondo del cable y aumentando la tendencia a oscilar. ^{[ 3 ]}

El galope puede ser un problema significativo para los operadores de sistemas de transmisión , especialmente cuando las líneas cruzan terrenos abiertos y azotados por el viento, y donde existe riesgo de acumulación de hielo. Si el galope es una preocupación, los diseñadores pueden emplear conductores de superficie lisa, cuyas mejores características aerodinámicas y de resistencia al hielo reducen el movimiento. ^{[ 4 ]} Además, se pueden instalar dispositivos antigalope en la línea para convertir el movimiento lateral en un movimiento de torsión menos dañino. Aumentar la tensión en la línea y adoptar fijaciones de aisladores más rígidas tienen el efecto de reducir el movimiento de galope. Estas medidas pueden ser costosas, a menudo resultan poco prácticas una vez construida la línea y pueden aumentar la tendencia de la línea a presentar oscilaciones de alta frecuencia. ^{[ 5 ]}

Si se sospecha la presencia de hielo, es posible aumentar la transferencia de potencia en la línea y, por lo tanto, elevar su temperatura mediante el calentamiento Joule , derritiendo el hielo. ^{[ 3 ]} La pérdida repentina de hielo de una línea puede provocar un fenómeno llamado "salto", en el que la catenaria rebota bruscamente hacia arriba en respuesta al cambio de peso. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Si el riesgo de disparo es alto, el operador puede optar por desconectar la línea de forma preventiva y controlada en lugar de enfrentarse a una falla inesperada. El riesgo de falla mecánica de la línea persiste. ^{[ 6 ]}

Los primeros estudios sobre cables largos incrustados en un fluido en movimiento datan de finales del siglo XIX, cuando Vincenc Strouhal explicó los cables "cantantes" en términos de desprendimiento de vórtices . ^{[ 7 ] [ 8 ]} Ahora se sabe que el galope surge de un fenómeno físico diferente: la sustentación aerodinámica . El hielo acumulado en el cable destruye la simetría circular del mismo, y el movimiento natural de "canto" ascendente y descendente del cable cambia el ángulo de ataque del cable helado al viento. Para ciertas formas, la variación de la sustentación en los diferentes ángulos es tan grande que excita oscilaciones a gran escala. ^{[ 9 ]}

Matemáticamente, un cable extendido sin carga en el aire se puede aproximar como una masa m suspendida a una altura y por un resorte con constante k . Si el viento se mueve con velocidad U , entonces forma un ángulo α con el cable, donde

$${\displaystyle \tan {\alpha }={\frac {\dot {y}}{U}}{\text{.}}}$$

A grandes velocidades del viento, la sustentación y la resistencia inducidas en el cable son proporcionales al cuadrado de la velocidad del viento, pero las constantes de proporcionalidad C _L y C _D (para un cable no circular) dependen de α :

$${\displaystyle F_{j}={\frac {1}{2}}\rho (U^{2}+{\dot {y}}^{2})l\cdot C_{j}\quad \quad \quad {\text{(}}j\in \{{\text{L}},{\text{D}}\}{\text{),}}}$$

donde ρ es la densidad del fluido y l la longitud del alambre. ^{[ 10 ]}

En principio, la oscilación excitada puede adoptar tres formas: rotación del cable, oscilación horizontal o descenso vertical. La mayoría de los galopes combinan la rotación con al menos una de las otras dos formas. Para simplificar algebraicamente, este artículo analizará un conductor que solo experimenta descenso vertical (y no rotación); un tratamiento similar puede abordar otras dinámicas. Desde consideraciones geométricas, la componente vertical de la fuerza debe ser

$${\displaystyle {\frac {1}{2}}\rho l(U^{2}+{\dot {y}}^{2})(C_{L}\cos {\alpha }+C_{D}\sin {\alpha })\approx {\frac {1}{2}}\rho lU^{2}\left(C_{L}|_{\alpha =0}-{\frac {\dot {y}}{U}}\left.\left(C_{D}+{\frac {\partial C_{L}}{\partial \alpha }}\right)\right|_{\alpha =0}\right){\text{,}}}$$

conservando solo términos de primer orden en el régimen ẏ  ≪ U  . ^{[ 10 ]} El galope ocurre siempre que el coeficiente de conducción ⁠ 1 / 2 ⁠ ρlU  ·  ( C _D  + ⁠ ∂ C _L / ∂ α ⁠ )| _{α = 0}    exceda la amortiguación natural del cable; en particular, una condición necesaria pero no suficiente es que$${\displaystyle \left.\left(C_{D}+{\frac {\partial C_{L}}{\partial \alpha }}\right)\right|_{\alpha =0}<0{\text{.}}}$$Esto se conoce como la condición de galope de Den Hartog , en honor al ingeniero que la descubrió por primera vez. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

A bajas velocidades del viento U , el análisis anterior comienza a fallar, porque la oscilación de galope se acopla al desprendimiento de vórtices . ^{[ 10 ]}

Un fenómeno eólico similar es el aleteo , causado por vórtices en el lado de sotavento del cable, y que se distingue del galope por su  movimiento de alta frecuencia (10 Hz) y baja amplitud. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Para controlar el aleteo, las líneas de transmisión pueden equiparse con amortiguadores de masa sintonizados (conocidos como amortiguadores Stockbridge ) sujetos a los cables cerca de las torres. ^{[ 5 ]} El uso de espaciadores de conductores de haz también puede ser beneficioso.

• vibración eólica