Impact of Inhomogeneous Ice Accretion on Conductor Aerodynamic Stability

Resumen Técnico: Impacto de la Acreción de Hielo Inhomogénea en la Estabilidad Aerodinámica de Conductores

Planteamiento del Problema
La operación estable de las líneas de transmisión es crítica para el desarrollo socioeconómico nacional; sin embargo, la expansión de las redes eléctricas atraviesa cada vez más terrenos complejos propensos a condiciones climáticas extremas. El galope inducido por el hielo sigue siendo una amenaza severa, capaz de causar fracturas en los conductores, colapsos de torres y cortocircuitos fase a fase. Si bien la literatura existente investiga extensamente las características aerodinámicas con respecto a factores ambientales (velocidad del viento, turbulencia), parámetros de formación de hielo (espesor, rugosidad) y configuraciones de conductores (arreglos de haces), existe una notable brecha en la investigación relativa a la no uniformidad de las formas de acreción de hielo. Dado que la inestabilidad por galope ocurre típicamente bajo condiciones de formación de hielo no uniformes, comprender cómo la asimetría de la distribución del hielo afecta la estabilidad aerodinámica es esencial para una evaluación de riesgos precisa.

Metodología
Este estudio emplea un enfoque de simulación numérica para investigar la estabilidad aerodinámica de los conductores bajo diversos grados de no uniformidad del hielo.

• Modelo Numérico: La investigación utiliza el modelo de turbulencia SST k-ω, seleccionado por su capacidad para resolver con precisión tanto el campo de flujo principal como la región cercana a la pared, lo cual es crítico para simular los campos de estela alrededor de los conductores con hielo. Se resuelven las ecuaciones de continuidad y cantidad de movimiento, junto con las ecuaciones de transporte para la energía cinética turbulenta ($k$) y la tasa de disipación específica ($\omega$).
• Estrategia de Malla: Se implementa un método de malla superpuesta (overset mesh) para capturar eficientemente los parámetros aerodinámicos a través de varios ángulos de ataque. El dominio se divide en una malla de fondo y una malla de primer plano refinada (que cubre el conductor y un radio de 5D), conectadas mediante interfaces de frontera.
• Parámetros de Simulación: El objeto de investigación es la acreción de hielo con forma de creciente. Las simulaciones cubren ángulos de ataque del viento desde 0° hasta 180° (aprovechando la simetría) con intervalos de 15°. El estudio varía los diámetros de los conductores (20 mm y 30 mm), los espesores de hielo (30% y 60% del diámetro) y los ángulos de formación de hielo (90°, 120°, 150°, 180°).
• Criterios de Estabilidad: La estabilidad aerodinámica se evalúa utilizando dos mecanismos establecidos:
  1. Mecanismo de Den Hartog: Evalúa la estabilidad del galope vertical basándose en la condición $C_D + \frac{\partial C_L}{\partial \alpha} < 0$.
  2. Mecanismo de Nigol: Evalúa la estabilidad del galope torsional basándose en la condición $\frac{\partial C_M}{\partial \alpha} < 0$.
• Coeficiente de No Uniformidad: Se define un parámetro específico, el coeficiente de no uniformidad del hielo ($a$), como $a = (b/\gamma) \times 100\%$, donde $b$ es la relación entre el espesor del hielo y el diámetro del conductor y $\gamma$ es el ángulo de formación de hielo. Este coeficiente cuantifica el grado de asimetría en la distribución del hielo.
• Validación: El modelo de simulación se valida frente a datos experimentales de la Referencia [17] (diámetro del conductor 26.82 mm, espesor de hielo 6.7 mm, velocidad del viento 10 m/s). Los resultados de la simulación para los coeficientes de arrastre, sustentación y momento muestran una alta consistencia con las tendencias experimentales, confirmando la fiabilidad del modelo.

Resultados Clave
El análisis numérico arroja varios hallazgos específicos respecto a la relación entre la no uniformidad del hielo y la estabilidad aerodinámica:

• Coeficientes Aerodinámicos: A medida que el ángulo de formación de hielo disminuye (aumentando la no uniformidad), el rango de variación del coeficiente de sustentación aumenta significativamente. El coeficiente de arrastre aumenta generalmente con el espesor del hielo, mientras que el coeficiente torsional muestra un ligero aumento en su variación a medida que los ángulos de formación de hielo disminuyen y el espesor aumenta.
• Inestabilidad de Den Hartog: El estudio encuentra una correlación directa entre el coeficiente de no uniformidad del hielo y el rango de ángulos de ataque del viento susceptibles al galope de Den Hartog.
  • Para un conductor de 20 mm con un espesor de hielo de 0.3D, el aumento del coeficiente de no uniformidad amplió el rango de ángulos de viento inestable de 0° a 3°.
  • Para el mismo conductor con un espesor de hielo de 0.6D, el rango se amplió de 1° a 6°.
  • Para un conductor de 30 mm, el efecto fue más pronunciado: con un espesor de 0.3D, el rango se expandió de 4° a 19°; con 0.6D, se expandió de 5° a 21°.
  • Conclusión: Un coeficiente de no uniformidad más alto amplía el rango de ángulos de ataque del viento susceptibles al galope vertical, exacerbando así la inestabilidad aerodinámica. Los diámetros de conductor más grandes también se correlacionan con un rango mayor de ángulos de galope de Den Hartog.
• Inestabilidad de Nigol: En contraste con el mecanismo de Den Hartog, el rango de ángulos de ataque del viento susceptibles al galope de Nigol (torsional) (principalmente 30°–180°) no muestra cambios obvios al variar los coeficientes de no uniformidad del hielo. El estudio concluye que no existe una relación significativa entre el coeficiente de no uniformidad del hielo y el rango de ángulos de galope de Nigol.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma elucidar el impacto específico de la no uniformidad de la forma del hielo en el galope de los conductores, un factor previamente poco investigado. Al introducir el coeficiente de no uniformidad del hielo, el estudio proporciona un marco cuantitativo para analizar cómo la distribución asimétrica del hielo altera la estabilidad aerodinámica. La contribución principal es la demostración de que el aumento de la no uniformidad expande significativamente la ventana de inestabilidad para el galope vertical (mecanismo de Den Hartog), pero tiene un impacto insignificante en la inestabilidad torsional (mecanismo de Nigol). Estos hallazgos ofrecen una base teórica para mejorar los sistemas de alerta temprana y las estrategias de mitigación para desastres inducidos por el hielo en las redes eléctricas, particularmente para líneas que atraviesan entornos hostiles donde la formación de hielo no uniforme es prevalente.