SEGURIDAD EN EL SERVICIO DE CONDUCTORES CUBIERTOS

SEGURIDAD EN EL SERVICIO DE CONDUCTORES CUBIERTOS EN LAS REDES DE
DISTRIBUCIÓN
Dario Muñoz Rave
Ingeniero Electricista
Area Ingeniería y Gestión EEPPM
1. OBJETO:
Las Empresas Públicas de Medellin ante el uso del sistema de cables cubiertos y red
compacta con espaciadores en las redes de 13.2 y 44kv y preocupada por la creencia de
personas distintas a los linieros de energía de que tocar el cable cubierto, no representa
problema para su seguridad y salud, determino realizar ensayos sobre corriente superficial
en los laboratorios del fabricante de cables Centelsa de Colombia y el de EATIC de
EEPPM para estudiar las corrientes de fuga que aparecen en los cables cubiertos cuando
ramas y hojas de árboles, objetos y personas toquen el cable en su funcionamiento. Para
ellos se hicieron pruebas en el laboratorio en ambas partes, para los cables utilizados en el
sistema de 15 y 44kv. Este documento es una “alerta” o guía sobre los criterios y prácticas
que se deben tener en cuenta en el diseño, construcción y seguridad de las redes de energía
con cable cubierto.
2. ALCANCE
Medir las corrientes de fuga en cables cubiertos simulando diferentes condiciones REALES
EN SU OPERACIÓN tales como el contacto con ramas de árboles, personas u objetos
externos y determinar los peligros para los operarios y personas y la seguridad que se deben
tener en cuenta al instalarlos y operarlos. Los calibres de los cables ensayados fueron
1/0awg y 266.8Kcmil en aluminio para 13.2 y 44kv.
Aplica para todas las personas y operarios que efectúen pruebas, montajes y mantenimiento
en estos tipos de cables.
3. MATERIALES, EQUIPOS, MUESTRAS Y PROCEDIMIENTO.
Para los procedimientos de ensayos se tuvo en cuenta lo indicado en los estudio de
HENDRIX con una compañía asesora de seguridad (1) otro de la WESTHINGHOUSE (2)
y sugerencias dadas por los técnicos de campo y del laboratorio
Los equipos utilizados en CENTELSA fueron los siguientes: Equipo de tensión marca
INDUCOR a 20 KV AC. Multimetro digital FLUKE. Equipo de tensión marca
HIPOTRONICS 300 KV DC. Cintas de Cobre. Hilos de Cobre y herramientas de corte,
3 muestras nuevas de 3 metros cada uno de los siguientes cables: 266.8Kcmil 15 KV
Cubierto, 1/0awg 15 KV Cubierto, 3 muestras envejecidas a 60 KV DC durante 18 horas
con una corriente de fuga e 0.4 mA. 266.8Kcmil 15 KV Cubierto. 1/0awg 15 KV Cubierto.
1/0awg 600 V Aislado XLPE-SILANO.
El procedimiento en CENTELSA fue el siguiente: A cada una de las muestras se le
envuelve alambre de cobre numero No. 14awg en la parte central sobre el aislamiento,
cubriendo una distancia equivalente a un pie, se aplico una tensión en pasos de 2.5, 5.0, 8.0,
13.2, 16 y 17 KV. Se coloca un miliamperímetro en la pantalla y tierra y se registra la
corriente en cada paso de incremento de tensión. Se retira el alambre y se coloca una cinta
de cobre de 0.127mm de espesor por 38mm de ancho cubriendo una distancia equivalente
a un pie no son 33cm aproximadamente en la parte central del conductor, se aplica tensión
en pasos de 2.5, 5.0, 8.0, 13.2, 16 y 17 KV. Se coloca un miliamperímetro entre la pantalla
y tierra y se registra la corriente de fuga en cada paso de tensión. Se (coloca) aplica un
trapo con agua sobre la cinta de cobre para humedecer y se realizan las mismas mediciones
que en el punto anterior. Se (coloca) aplica un trapo con agua salada (50 gramos de sal en
medio litro de agua) y se realizan las mismas mediciones que en el punto anterior.
Adicionalmente se realizó ensayos a 3 muestras envejecidas a 60 KV DC durante 18 horas
con una corriente de 0.4mA a cables 266.8kcmil y 1/0awg de 15 KV Cubierto, con el
objetivo de mirar si un cable envejecido en el laboratorio nos servía como referente con
respecto a uno no envejecido, pero como se observa en el anexo I los resultados no arrojan
ningún resultado interesante dado que las muestras eran de carretes diferentes y tiradas de
extrusión distintas. Lo anterior nos da pie para en un futuro bajar muestras de las redes que
llevan más de 5 años de funcionamiento y que están algo deterioradas para realizar pruebas
y continuar con esta investigación, si es del caso.
En el laboratorio de EATIC de las Empresas Publicas de Medellin se realizó lo siguiente:
equipos multimetro digital marca FLUKE, fuente de alta tensión marca HIPOTRONICS,
medidor de temperatura y humedad marca EXTECH. Las muestras utilizadas fueron cable
266.8Kcmil 44kv marca HENDRIX y 266.8Kcmil 15kv marca CENTELSA. El
procedimiento realizado en EATIC fue similar al de CENTELSA pero no se realizó la
prueba inicial con hilos de cobre aplicados helicoidalmente sino únicamente con la cinta de
cobre.
Los valores de los ensayos están en los apéndices I y II respectivamente.
4.REGULACIONES Y DEFINICIONES.
Es importante conocer la regulación que existen en USA sobre el uso de cable cubierto
según el NESC (3), su sección 2 definiciones establece que el conductor cubierto ,para
sistemas aéreos, es todo aquel conductor que tiene un dieléctrico sin resistencia de
aislamiento adecuada para el nivel de tensión específico o su resistencia de aislamiento es
menor que el voltaje del circuito donde el conductor es utilizado y el numeral 230D
especifica que para efectos de espaciamientos o distancias de seguridad el conductor
cubierto se toma como conductor desnudo excepto cuando existen conductores cubiertos en
el mismo poste y que tengan la capacidad de resistir momentáneamente contactos fase a
tierra o fase a fase. El NEC (4) en su numeral 310.6 define este tipo de cable como
conductores aislados no apantallados que debe ser resistente a las descargas eléctricas y al
fenómeno de la superficie de camino de conductor carbonizado “Tracking”.
En la parte de voltaje de paso y corriente que pasa por el cuerpo humano, se tuvo en cuenta
las normas IEC 60479(5), IEEE 80(6), IEEE 1048 y lo estipulado por el RETIE (7).
Es bueno también conocer que existen tres tipos de cable cubiertos: el resistente a la
intemperie, el tipo árbol y el de tres capas para espaciadores; éstos no tienen pantalla
semiconductora sobre el aislamiento, dejando un poco complicado calcular las corrientes
de carga cuando un objeto o persona hagan un contacto con la cubierta externa del cable
cubierto, tal como se indica en el estudio de la HENDRIX (8) y el apéndice III, aunque en
dicho articulo demuestran que lo calculado no difiere mucho con respecto al valor obtenido
en las pruebas
5.ASPECTOS DEL PROBLEMA
Es bueno aclarar que el sistema de cable cubierto se determinó usarlo en las Empresas
Públicas de Medellin fue para mejorar la confiabilidad y calidad del servicio por el contacto
de ramas o árboles en las redes desnudas de 13.2 y 44kv y no para la seguridad de los
operarios y personas.
De donde la importancia de las EEPPM de realizar ensayos de laboratorio simulando todas
las condiciones posibles de que se pueden presentar en el terreno para analizar la cantidad
de corriente que se puede presentar cuando ocurre el contacto. Esta corriente depende de la
carga disponible sobre la superficie del cable en ese punto de contacto y la corriente vía
tracking que se puede presentar o acumulada sobre la superficie.
Un cable cubierto es un cable no apantallado como se indicó en el numeral anterior, cable
que al no tener una pantalla semiconductora y metálica va existir una corriente de fuga
circulando por la corriente por la cubierta, que se puede incrementar con le deterioramiento
y el efecto Tracking.
6. CORRIENTES CIRCULANTES EN EL CUERPO HUMANO AL CONTACTO
DEL CABLE
De acuerdo con los valores obtenidos de las pruebas de corrientes circulantes, en cables
nuevos, fueron muy pequeñas, valores que aparentemente no son peligrosas, pero si los
cables están deteriorados, las características físicas y fisiológicas de las personas al
momento de contacto no son adecuadas, si es mujer o menor de edad esto agrava el
problema, por lo anterior a continuación vamos a dar un concepto claro del fenómeno que
ocurre de seguridad en las personas
La pequeña corriente en mA, que aparece en el momento de contacto, no va operar ningún
dispositivo de protección y tampoco la salida del servicio de energía eléctrica a no ser que
la cubierta protectora del cable este muy degradada. Esta corriente es pequeña tal como se
observa en las tablas. Estas corrientes inicialmente no pueden matar a una persona, debido
que muchos estudios establecen que 5ma a 60Hz no representan peligro para la vida
humana. Pero las condiciones del cable, su envejecimiento y las características del cuerpo
humano tales como: la frecuencia ;el recorrido que realiza la corriente por el cuerpo, el
camino que siga la corriente por el cuerpo condicionará la gravedad del accidente; otras
como las condiciones de la persona: sudor, estar mojado, la masa, la tasa de alcohol en
sangre,...dos accidentes iguales en diferentes personas, pueden provocar consecuencias muy
diferentes, dependiendo de los factores mencionados; la duración del paso de la corriente:
cuanto menos dure el paso de la corriente por el cuerpo, menos grave será la lesión.
También influye el estado de la piel en los puntos de contacto eléctrico, es decir si tiene
pequeñas heridas o lesiones; la intensidad de la corriente eléctrica y la resistencia óhmica
del organismo.
De los factores citados arriba los tres principales que determinan la gravedad de las lesiones en las
personas son la intensidad de corriente, la duración de paso de la intensidad de corriente por el
cuerpo y la resistencia óhmica del cuerpo humano.
Ahora vamos mostrar los diferentes estudios y normas sobre los efectos fisiológicos que produce
una corriente en le cuerpo humano. Inicialmente esta la tabla que muestra para cada valor de
corriente el efecto que tiene sobre la persona, de acuerdo con normas IEC y Españolas
Tabla 1
EFECTOS EN LA PERSONA
Intensidad de la corriente (mA)
Cosquilleo
Mano adormecida
Descarga dolorosa
Continua
5
10
60
50 Hz
1
2
10
10 kHz
12
18
60
Límite de control muscular
75
15
75
25
95
100
---
Problemas respiratorios
90
Fibrilación ventricular a partir de 3
500
s.
En este cuadro se ve lo que sufre las personas al paso de la corriente, pero lo que
mencionamos arriba es importante analizar los otros dos factores la duración y la
resistencia del cuerpo según su humedad y estado fisiológico.
También es importante conocer el valor que tiene la resistencia del cuerpo humano
que hace variar el valor de la corriente que circula a través de él.
Según normas UNE 25.572-80, los valores de la resistencia del cuerpo humano usuales
son:
Tabla 2
Tcontacto (V)
25
50
R (Ω)
2500
2000
250
1000
Estos valores de resistencia se refieren a cuando la intensidad circula de mano a pie o
de mano a mano.
Tabla 3
Tcontacto
25
50
250
Resistencia del cuerpo humano (Ω)
(V) para diferentes estados de la piel
SECA HÚMEDA MOJADA INMERSA
5000
2500
1000
500
4000
2000
875
440
1500
1000
650
325
El valor de la resistencia disminuye considerablemente si la piel está húmeda y/o mojada,
estos valores están considerados en la norma IEC 60479. Notamos que al aumentar la
tensión de contacto, la resistencia disminuye, lo que hará que, según la ley de OHM, que la
corriente eléctrica aumente.
En USA se han realizado otros estudios que amplían o complementan (y que es importante
conocerlo en este estudio tal como se indica en la siguiente tabla) los valores de las
diferentes tablas indicadas arriba haciendo la diferencia si es hombre o mujer.
Tabla 4
Efecto en el cuerpo
Ligera sensación en
manos y pies
Limite(umbral) de
percepción
Doloroso pero con
control
de
los
músculos
Corriente
directa(mA)
Hombre 1.0
Mujer 0.6
Hombre 5.2
Mujer
3.5
Hombre 62
Mujer
41
Hombre
Mujer
dolor, Hombre
para Mujer
Severo
dificultad
respirar
Posible fibrilación Hombre
del corazón después Mujer
de 3 segundos
Corriente
60Hz
0.4
0.3
1.1
0.7
9.0
6.0
76
51
90
60
16
10.5
23
15
500
500
100
100
alterna 10KHz AC
7.0
5.0
12
8
55
37
75
50
94
63
Ahora es importante tener en cuenta lo establecido en la IEEE 1048 para así tener
comparaciones con respecto a los diferentes valores dados por los europeos y darnos cuenta
del peligro que se incurre al tocar un cable cubierto. La tabla 5 es la 1 de la IEEE que son
valores a frecuencia industrial, donde estos valores son muchos más estrictos que los
valores dados en la tabla 1
TABLA 5
Table 1 Reactions to Power Frequency Currents
* 1% of persons for perception values
Differences among men and women are due to body size differences.
Ahora veremos la tabla 6 que es la 2 de la IEEE la resistencia eléctrica del cuerpo humano
para ciertas partes del cuerpo y que complementa la tabla 3.
TABLE 6 RESISTENCIA DEL CUERPO HUMANO.
También debemos analizar las diferentes formas de contacto de cómo una persona toca el
cable cubierto, tal como se indica en las figuras adjuntas, pero no siempre sería así ya que
el área varia según los miembros que tocan el cable y el aspecto físico de la persona,
influyendo que la resistencia eléctrica varía. Otras formas de contacto con el cable sería la
mano con mano, pies con pies, mano con cabeza, mano con codo etc.,que aunque la
resistencia se puede repartir y la corriente tomar caminos diferentes también es cierto que
pueden existir más daños en otros miembros del cuerpo humano. En el apéndice III se
explica un poco más de esta asunto.
NOTA: las figuras se adecuarán al artículo.
Figura 1
Figura 2
A manera de ilustración les adjunto la figura 3 de la norma IEEE 80 que indica la resistencia de una
persona entre el punto de contacto y una tierra remota
CONCLUSIONES
-Como se estableció arriba el cable cubierto se diseño para mejorar la calidad y
confiabilidad del circuito y no para la seguridad del operario, por lo tanto debemos tener
siempre esto presente.
-El cable no esta diseñado en ningún momento para ser tocado por personas sea su estado
de salud, aspectos físicos, fisiológicos y conocimiento de la red.
-El contacto con el cable cubierto energizado simples va a tener riesgos.
-La corriente de fuga en los cables cubiertos nuevos, no usados o retirados del servicio,
siempre serán similares de acuerdo con los ensayos de los dos laboratorios. Como también -Se puede observar que para mayor calibre después de la aplicación de los 8kv es
ligeramente superior
-La corriente de fuga en los cables de 46kv son más altos que en los de 13.2kv
BIBILOGRAFIA.
1. C.C. LANDGINFER, J.W. McAuliffe, A.L. Clapp, J.B. Dagenhart, W.A. Thue “ Safety
Consideration of Aerial Systems Using Insulated and Covered Wire and Cable” presentao
en la IEEE T&D Expo, los Angeles, septiembre 1996.
2. R.T. Harrold, T.W. Dakin “On Prediting the Life of Polyethilene Spacer- Cable Eroded
by Surface Discharges in Wet Weather”, IEEE Transction on Power Apparatus Systems,
Vol. PAS-95, no. 3, pp 821-828, May/June 1976.
3. ANSI/IEEE C2 NESC National Safe electrical Code.
4. ANSI/NFPA 52 National Electrical Code
5. IEC 60579
6. IEEE 80
7.RETIE
8. IEEE 1048
APENDICE I
Resultados de las pruebas en CENTELSA
XLPE-TK 266.8 15KV
KV
2.5
5.0
8.0
10.0
13.2
16.0
17.0
HILOS
0.037
0.075
0.13
0.17
0.235
0.292
0.33
PANTALLA (mA)
CINTA
CINTA
AGUA SAL
LIMPIA
0.156
0.14
0.31
0.28
0.48
0.43
0.6
0.541
0.78
0.7
0.95
0.89
1.0
0.96
CINTA
AGUA
0.166
0.31
0.49
0.61
0.79
0.97
0.99
XLPE-TK 1/0 15KV Semiaislado Cubierto
KV
2.5
5.0
HILOS
0.035
0.073
PANTALLA (mA)
CINTA
CINTA
AGUA SAL
LIMPIA
0.175
0.09
0.342
0.203
CINTA
AGUA
0.105
0.212
8.0
10.0
13.2
16.0
17.0
0.13
0.16
0.23
0.29
0.32
0.55
0.69
0.89
0.89
0.87
0.34
0.43
0.57
0.69
0.73
0.337
0.425
0.555
0.69
0.734
XLPE-TK 1/0 15KV Semiaislado Cubierto 60 KV DC 18
HORAS
KV
CABLE
COMPLETO
AGUA LIMPIA
CABLE
COMPLETO
AGUA
SALINA
PANTALLA
AGUA LIMPIA
PANTALLA
AGUA
SALINA
2.5
5.0
8.0
10.0
13.2
16.0
17.0
0.097
0.194
0.311
0.401
0.549
0.668
0.713
0.102
0.202
0.331
0.428
0.564
0.692
0.74
0.107
0.21
0.36
0.447
0.605
0.703
0.74
0.125
0.245
0.356
0.443
0.582
0.717
0.763
XLPE-TK 266.8 15KV 60 KV DC 18 HORAS
KV
CABLE
COMPLETO
AGUA LIMPIA
PANTALLA
CINTA AGUA
SALINA
2.5
5.0
8.0
10.0
13.2
16.0
17.0
0.097
0.191
0.319
0.412
0.57
0.69
0.75
0.097
0.201
0.317
0.43
0.58
0.73
0.78
XLPE-TK 266.8 15KV 270 amp. Por 48 horas
KV
CABLE
COMPLETO
CINTA SECA
PANTALLA
CINTA AGUA
2.5
5.0
8.0
10.0
13.2
16.0
17.0
0.184
0.340
0.354
0.444
0.587
0.730
0.780
0.202
0.285
0.433
0.548
0.708
0.840
0.880
XLPE-TK 1/0 15KV 270 amp. Por 48 horas
KV
CABLE
COMPLETO
AGUA LIMPIA
PANTALLA
CINTA AGUA
SALINA
2.5
5.0
8.0
10.0
13.2
16.0
17.0
0.133
0.254
0.387
0.465
0.609
0.740
0.801
0.120
0.252
0.391
0.484
0.645
0.771
0.821
APENDICE II
Resultados de ensayos en EATIC.
Muestra
Condiciones
ensayo
Cable cubierto de Seco
44kv
Cable cubierto 44kv
Seco
Cable cubierto 44kv
Húmedo
de Tensión
(Kv)
2.2
7.4
14.2
19.4
26.3
30.
34.5
40.3
45.2
2.5
7.4
14.3
19.9
26.6
29.9
35.0
39.9
45.0
2.4
7.2
14.4
aplicada Corriente de fuga
mili amperios
0.053
0161
0.328
0.456
0.510
0.686
0.787
0.932
1.053
0.061
0.173
0.332
0.466
0.639
0.729
0.878
1.055
1.270
0.065
0.170
0.336
Cable cubierto 44kv
Húmedo más sal
Cable cubierto 15kv
Seco
Húmedo
Húmedo más Sal
Cable cubierto 15kv
Seco
Húmedo
Húmedo más Sal
APENDICE III
20.0
26.6
29.9
35.0
39.9
45.0
2.4
7.3
14.4
19.9
26.6
30.0
35.1
40.1
45.0
2.4
7.2
14.4
20.0
2.5
7.2
14.5
19.9
2.6
7.2
14.6
20.0
2.4
7.3
14.5
19.8
2.5
7.3
14.5
20.0
2.6
7.3
14.4
19.9
0.476
0.651
0.739
0.905
1.084
1.291
0.060
0.169
0.336
0.476
0.676
0.776
0.947
1.135
1.341
0.090
0.256
0.536
0.790
0.099
0.268
0.550
0.760
0.106
0.273
0.573
0.804
0.091
0.262
0.541
0.781
0.092
0.266
0.547
0.795
0.104
0.273
0.550
0.802
CIRCUITOS ELECTRICOS
Es bueno analizar los diferentes circuitos que se presentan para una mejor compresión o
ilustración del problema: vamos a mirar en el siguiente circuito cuando la persona toca el
cable con o sin guantes teniendo en cuenta la resistencia del cuerpo humano:
Cuando la persona tiene un guante el circuito se comporta de la siguiente manera:
Debido que la corriente eléctrica necesita pasar los lados y el cuerpo y guante para completar un
circuito, donde la suma combinada de estas resistencias se oponen a la corriente en mayor grado
que considerando individualmente las resistencias
APENDICE IV
En este apéndice es interesante conocer el circuito del cable cubierto según lo establecido en el
artículo de HENDRIX (………) observamos lo siguiente:
Del artículo de la IEEE observamos el circuito de un sistema de cable en rede compacta: